BR112019017876A2

BR112019017876A2 - Sistema de perfuração de fundo de poço e método

Info

Publication number: BR112019017876A2
Application number: BR112019017876-7A
Authority: BR
Inventors: A. Gilbrech Joshua
Original assignee: Halliburton Energy Services, Inc.; Chevron U.S.A. Inc.; Sdg Llc
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2020-05-12
Also published as: BR112019017876B1; WO2018186828A1; FR3064666B1; FR3064666A1; US10718163B2; US20180313158A1

Abstract

um sistema de perfuração de fundo de poço é divulgado. o sistema de perfuração de fundo de poço pode incluir um circuito de geração de pulsos eletricamente acoplado a uma fonte de energia configurada para fornecer uma corrente alternada a uma frequência e uma voltagem de entrada, compreendendo um circuito do estágio de entrada eletricamente acoplado à fonte de energia, o circuito do estágio de entrada configurado para controlar a corrente alternada no circuito de geração de pulsos; um circuito de transformador eletricamente acoplado ao circuito do estágio de entrada, o circuito de transformador compreendendo um transformador de núcleo aberto configurado para gerar uma voltagem de saída maior do que a voltagem de entrada; e um circuito do estágio de saída eletricamente acoplado ao circuito de transformador, o circuito do estágio de saída configurado para armazenar energia para um pulso elétrico; e uma broca de perfuração incluindo um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo acoplados eletricamente ao circuito do estágio de saída para receber o pulso elétrico do circuito de geração de pulsos.

Description

“SISTEMA DE PERFURAÇÃO DE FUNDO DE POÇO E MÉTODO”

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente divulgação refere-se, geralmente, à perfuração por eletroesmagamento de fundo de poço e, mais particularmente, a transformadores de pulso para perfuração por eletroesmagamento de fundo de poço.

FUNDAMENTOS

[002] A perfuração de eletroesmagamento usa tecnologia de potência pulsada para perfurar um furo de poço em uma formação rochosa. A tecnologia de potência pulsada aplica repetidamente um alto potencial elétrico através dos eletrodos de uma broca de perfuração de eletroesmagamento, o que acaba causando a fratura da rocha ao redor. A rocha fraturada é transportada da broca pelo fluido de perfuração e a broca avança no fundo do poço.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[003] Para uma compreensão mais completa da presente divulgação e de seus recursos e vantagens, agora será feita referência à seguinte descrição, tomada em conjunto com as figuras acompanhantes, nas quais:

[004] A FIGURA 1 é uma vista em elevação de um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço de exemplo usado em um ambiente do furo de poço;

[005] A FIGURA 2A é uma vista em perspectiva de componentes exemplificativos de uma composição de fundo para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço;

[006] A FIGURA 2B é uma vista em perspectiva de componentes exemplificativos de uma composição de fundo para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço;

[007] A FIGURA 3 é um esquema para um circuito de geração de pulsos exemplificativo para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço;

[008] A FIGURA 4A é uma vista lateral em corte de um circuito de transformador exemplificativo para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço;

[009] A FIGURA 4B é uma vista explodida de um circuito de transformador exemplificativo para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 14/53

2/25

[0010] A FIGURA 5 é uma vista em corte de topo de uma ferramenta de potência pulsada exemplificativa para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço; e [0011] A FIGURA 6 é um fluxograma de um método exemplificativo para perfurar um furo de poço.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0012] A perfuração de eletroesmagamento pode ser usada para formar furos de poço em formações rochosas subterrâneas para recuperar hidrocarbonetos, como petróleo e gás, dessas formações. A perfuração de eletroesmagamento usa tecnologia de potência pulsada para fraturar repetidamente a formação rochosa, fornecendo repetidamente pulsos elétricos de alta energia para a formação rochosa. Em algumas aplicações, certos componentes de um sistema de potência pulsada podem estar localizados no fundo do poço. Por exemplo, um circuito de geração de pulsos pode estar localizado numa composição de fundo (BHA) perto da broca de perfuração. O circuito de geração de pulsos pode incluir um transformador que acelera uma entrada de fonte de energia de baixa voltagem numa saída de alta voltagem que é usada para gerar pulsos elétricos para alimentar eletrodos de uma broca de perfuração. Além disso, o circuito de geração de pulsos pode ser projetado para suportar o ambiente hostil de um sistema de potência pulsada no fundo do poço. Por exemplo, o circuito de geração de pulsos pode operar sobre uma ampla faixa de temperatura (por exemplo, de aproximadamente 10 a 200 graus centígrados) e pode suportar fisicamente a vibração e o choque mecânico resultantes da fratura da rocha durante a perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço.

[0013] Existem numerosas maneiras pelas quais um circuito de geração de pulsos pode ser implementado em um sistema de potência pulsada de eletroesmagamento de fundo de poço. Assim, as modalidades da presente divulgação e suas vantagens são mais bem compreendidas em referência às FIGURAS 1 até 6, em que números equivalentes são usados para indicar partes equivalentes e correspondentes.

[0014] A FIGURA 1 é uma vista em elevação de um sistema de perfuração de eletroesmagamento de exemplo usado para formar um furo de poço em uma formação subterrânea. Embora a FIGURA 1 mostre equipamento terrestre, as ferramentas de fundo de poço que incorporam ensinamentos da presente divulgação podem ser satisfatoriamente

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 15/53

3/25 utilizadas com equipamento localizado em plataformas offshore, navios de perfuração, semissubmersíveis e barcas de perfuração (não expressamente mostrado na FIGURA 1). Adicionalmente, enquanto o furo de poço 116 é mostrado como sendo um furo de poço geralmente vertical, o furo de poço 116 pode ter qualquer orientação incluindo geralmente horizontal, multilateral ou direcional.

[0015] O sistema de perfuração 100 inclui uma plataforma de perfuração 102 que suporta um guindaste 104 com uma catarina 106 para elevar e baixar uma coluna de perfuração 108. O sistema de perfuração 100 também pode incluir a bomba 125, que circula o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 através do tubo de alimentação para a haste de perfuração 110 que, por sua vez, transporta o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 para o fundo de poço através de canais interiores da coluna de perfuração 108 e através de um ou mais orifícios na broca de perfuração de eletroesmagamento 114. O fluido de perfuração de eletroesmagamento 122, então, circula de volta para a superfície através do espaço anular 126 formado entre a coluna de perfuração 108 e as paredes laterais do furo d poço 116. Porções fraturadas da formação são levadas para a superfície por eletroesmagamento do fluido de perfuração 122 para remover as porções fraturadas do furo de poço 116.

[0016] A broca de eletroesmagamento 114 está ligada à extremidade distai da coluna de perfuração 108. A potência para a broca de perfuração de eletroesmagamento 114 pode ser fornecida a partir da superfície. Por exemplo, o gerador 140 pode gerar potência elétrica e fornece essa potência para a unidade de condicionamento de potência 142. A unidade de condicionamento de potência 142 pode então transmitir energia elétrica através do cabo de superfície 143 e um cabo de subsuperfície (não expressamente mostrado na FIGURA 1) contido no interior da coluna de perfuração 108 ou presa ao lado da coluna de perfuração 108. Um circuito de geração de pulsos no interior da BHA-128 pode receber a energia elétrica a partir da unidade de condicionamento de potência 142, e pode gerar pulsos de alta energia para conduzir a broca de perfuração de eletroesmagamento 114. O circuito de geração de pulsos pode incluir um transformador de segmento aberto, multissegmentado como descrito em detalhes adicionais abaixo com referência às FIGURAS 3-6.

[0017] O circuito de geração de pulsos no interior da BHA 128 pode ser utilizado para

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 16/53

4/25 aplicar repetidamente um elevado potencial elétrico, por exemplo pelo menos 50 kilovolts (kV) ou entre aproximadamente 50kV e 200kV, através dos eletrodos da broca de perfuração de eletroesmagamento 114. Cada aplicação de potencial elétrico é referida como pulso. Quando o potencial elétrico através dos elétrodos de broca de eletroesmagamento 114 for aumentado o suficiente durante um pulso para gerar um campo elétrico suficientemente elevado, forma-se um arco elétrico através de uma formação de rocha na parte inferior do furo de poço 116. O arco forma temporariamente um acoplamento elétrico entre os eletrodos da broca de perfuração de eletroesmagamento 114, permitindo que a corrente elétrica flua através do arco no interior de uma porção da formação rochosa na parte inferior do furo de poço 116. O arco aumenta grandemente a temperatura e a pressão da porção de formação rochosa através da qual o arco flui e a formação e materiais circundantes. A temperatura e a pressão são suficientemente altas para quebrar a rocha em pequenos pedaços ou cascalhos. Esta rocha fraturada é removida, tipicamente através do fluido de perfuração de eletroesmagamento 122, que afasta a rocha fraturada dos eletrodos e do topo do poço. Os termos topo de poço e fundo de poço podem ser usados para descrever a localização de vários componentes do sistema de perfuração 100 em relação à parte inferior ou extremidade do furo de poço 116 mostrado na FIGURA 1. Por exemplo, um primeiro componente descrito como de topo de poço a partir de um segundo componente pode estar mais longe da extremidade do furo de poço 116 do que o segundo componente. Do mesmo modo, um primeiro componente descrito como sendo de fundo de poço a partir de um segundo componente pode estar localizado mais próximo a extremidade do furo de poço 116 do que o segundo componente.

[0018] A medida que a broca de perfuração de eletroesmagamento 114 fratura repetidamente a formação rochosa e o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 move a rocha fraturada para o topo de poço, o furo de poço 116, que penetra várias formações rochosas subterrâneas 118, é criado. O furo de poço 116 pode ser qualquer orifício perfurado numa formação ou de uma série de formações subterrâneas subterrânea para fins de exploração ou extração de recursos naturais como, por exemplo, hidrocarbonetos ou com a finalidade de injeção de fluidos como, por exemplo, água, resíduos, salmoura ou água misturada com outros fluidos. Adicionalmente, o furo de poço

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 17/53

5/25

116 pode ser qualquer orifício perfurado em uma formação subterrânea ou em uma série de formações subterrâneas para fins de geração de potência geotérmica.

[0019] Embora o sistema de perfuração 100 seja aqui descrito como utilizando a broca de perfuração de eletroesmagamento 114, o sistema de perfuração 100 também pode utilizar uma broca de perfuração de eletroesmagamento. Uma broca de perfuração de eletroesmagamento tem vários eletrodos e configurações de espaçamento de eletrodo semelhantes à broca de perfuração de eletroesmagamento 114. Mas, em vez de gerar um arco no interior da rocha, uma broca de eletroesmagamento aplica um grande potencial elétrico através de um ou mais eletrodos e o anel de aterramento para formar um arco através do fluido de perfuração próximo ao fundo do poço 116. A alta temperatura do arco vaporiza a porção do fluido imediatamente ao redor do arco, que por sua vez gera uma onda de choque de alta potência no fluido remanescente. O um ou mais eletrodos da broca de perfuração de eletroesmagamento podem ser orientados de modo que a onda de choque gerada pelo arco seja transmitida para o fundo do furo de poço 116. Quando a onda de choque atingir e saltar da rocha no fundo do furo de poço 116, a rocha se fratura. Por conseguinte, o sistema de perfuração 100 pode utilizar tecnologia de potência pulsada com uma broca de perfuração de eletroesmagamento para perfurar o furo de poço 116 na formação subterrânea 118 de um modo semelhante ao da broca de perfuração de eletroesmagamento 114.

[0020] A FIGURA 2A é uma vista em perspectiva de componentes exemplificativos da composição de fundo para sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço 100. A BHA 128 pode incluir a ferramenta de potência pulsada 230. A BHA 128 também pode incluir a broca de perfuração de eletroesmagamento 114. Para os fins da presente divulgação, a broca de perfuração de eletroesmagamento 114 pode ser integrada na BHA 128, ou pode ser um componente separado que é acoplado à BHA 128.

[0021] A ferramenta de potência pulsada 230 pode fornecer energia elétrica pulsada para a broca de perfuração 114. A ferramenta de potência pulsada 230 recebe energia elétrica de uma fonte de energia via cabo 220. Por exemplo, a ferramenta de potência pulsada 230 pode receber energia elétrica através do cabo 220 de uma fonte de energia localizada na superfície como descrito acima com referência à FIGURA 1, ou de uma fonte de energia

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 18/53

6/25 localizada no fundo de poço, tal como um gerador alimentado por uma turbina de lama. A ferramenta de potência pulsada 230 também pode receber energia elétrica através de uma combinação de uma fonte de energia localizada na superfície e uma fonte de energia localizada no fundo do poço. A ferramenta de potência pulsada 230 converte energia elétrica recebida a partir da fonte de energia em pulsos elétricos de alta energia que são aplicados através dos eletrodos 208 e do anel de aterramento 250 da broca de perfuração de eletroesmagamento 114. A ferramenta de potência pulsada 230 pode também aplicar pulsos elétricos de alta energia através do eletrodo 210 e do anel de aterramento 250 de um modo semelhante ao aqui descrito para o eletrodo 208 e o anel de aterramento 250. Para gerar pulsos elétricos de alta energia, a ferramenta de potência pulsada 230 pode incluir um circuito de geração de pulsos como descrito abaixo com referência à FIGURA 3.

[0022] Referindo-se à FIGURA 1 e a FIGURA 2A, o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 podem sair de coluna de perfuração 108 através de aberturas 209 que cercam cada eletrodo 208 e 210 cada um dos eletrodos. O fluxo de fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 para fora das aberturas 209 permite que os eletrodos 208 e 210 sejam isolados pelo fluido de perfuração de eletroesmagamento. A broca de perfuração de eletroesmagamento 114 pode incluir um isolador sólido (não expressamente mostrado nas FIGURAS 1 ou 2A) envolvendo os eletrodos 208 e 210 e um ou mais orifícios (não expressamente mostrado nas FIGURAS 1 e 2A) na face da broca de perfuração de eletroesmagamento 114 através da qual o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 sai da coluna de perfuração 108. Tais orifícios podem ser furos simples, ou podem ser bicos ou outros recursos moldados. Uma vez que os finos não são tipicamente gerados durante a perfuração de eletroesmagamento, ao contrário da perfuração mecânica, o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 pode não precisar sair da broca de perfuração a uma pressão tão alta quanto o fluido de perfuração na perfuração mecânica. Como resultado, os bicos e outros recursos usados para aumentar a pressão do fluido de perfuração podem não ser necessários. No entanto, bicos ou outros recursos para aumentar a pressão do fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 ou para direcionar o fluido de perfuração de eletroesmagamento podem ser incluídos para alguns usos.

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 19/53

7/25

[0023] O fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 é tipicamente circulado através do sistema de perfuração 100 a uma taxa de fluxo suficiente para remover a rocha fraturada da vizinhança da broca de perfuração de eletroesmagamento 114. Além disso, o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 pode estar sob pressão suficiente em um local no furo de poço 116, particularmente um local próximo a um depósito de hidrocarboneto, gás, água ou outro, para evitar uma explosão.

[0024] Além disso, a broca de perfuração de eletroesmagamento 114 pode incluir o anel de aterramento 250, mostrado em parte na FIGURA 2A. O anel de aterramento 250 pode funcionar como um eletrodo. Embora ilustrado como um anel contíguo na FIGURA 2A, o anel de aterramento 250 pode ser um eletrodo distinto não contíguo e/ou implementado em diferentes formas. Os eletrodos 208 e 210 pode ser de pelo menos 0,4 polegada (ou seja, pelo menos, cerca de 10 milímetros) além do anel de aterramento 250 no espaçamento mais próximo, pelo menos 1 polegada (isto é, pelo menos aproximadamente 25 milímetros) no seu espaçamento mais próximo, pelo menos 1,5 polegadas (isto é, pelo menos aproximadamente 38 milímetros) no espaçamento mais próximo, ou pelo menos 2 polegadas (isto é, pelo menos aproximadamente 51 milímetros) distante em seu espaçamento mais próximo. Se o sistema de perfuração 100 sofrer bolhas de vaporização no fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 perto da broca de perfuração de eletroesmagamento 114, as bolhas de vaporização podem ter efeitos prejudiciais. Por exemplo, as bolhas de vaporização perto dos elétrodos 208 ou 210 podem impedir a formação do arco na rocha. O fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 pode ser circulado a uma taxa de fluxo também suficiente para remover bolhas de vaporização da proximidade broca de perfuração de eletroesmagamento 114. Embora nem todas as brocas de perfuração de eletroesmagamento 114 possam ter o anel de aterramento 250, se estiver presente, pode conter passagens 260 para permitir o fluxo de fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 juntamente com qualquer rocha ou bolhas fraturadas longe dos eletrodos 208 e 210 e do topo de poço.

[0025] A FIGURA 2B é uma outra vista em perspectiva de componentes exemplificativos de uma composição de fundo para sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço 100. A BHA 128 e a ferramenta de potência pulsada 230 podem incluir os mesmos

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 20/53

8/25 recursos e funcionalidades discutidas acima na FIG. 2A. Por exemplo, o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 pode sair da coluna de perfuração 108 através da abertura 213 envolvendo o eletrodo 212. O fluxo de fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 para fora das aberturas 213 permite que o eletrodo 212 seja isolado pelo fluido de perfuração de eletroesmagamento. Enquanto um eletrodo 212 seja mostrado na FIGURA 2B, a broca de perfuração de eletroesmagamento 115 pode incluir múltiplos eletrodos 212. A broca de perfuração de eletroesmagamento 115 pode incluir isolador sólido 210 envolvendo o eletrodo 212 e um ou mais orifícios (não expressamente mostrado na FIGURA 2B) na face da broca de perfuração de eletroesmagamento 115 através da qual o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 sai da coluna de perfuração 108. Bicos ou outros recursos para aumentar a pressão do fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 ou para direcionar o fluido de perfuração de eletroesmagamento podem ser incluídos para alguns usos. Adicionalmente, a forma do isolador sólido 210 pode ser selecionada para melhorar o fluxo do fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 ao redor dos componentes da broca de perfuração de eletroesmagamento 115.

[0026] A broca de perfuração de eletroesmagamento 115 pode incluir o corpo da broca 255, o eletrodo 212, o anel de aterramento 250 e o isolador sólido 210. O eletrodo 212 pode ser colocado aproximadamente no centro da broca de perfuração de eletroesmagamento 115. A distância entre o eletrodo 212 e o anel de aterramento 250 pode ser geralmente simétrico ou pode ser assimétrico, de tal modo que o campo elétrico que circunda a broca de perfuração de eletroesmagamento tenha uma forma simétrica ou assimétrica. A distância entre o eletrodo 212 e o anel de aterramento 250 permite que o fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 flua entre o eletrodo 212 e o anel de aterramento 250 remova as bolhas de vaporização da área de perfuração.

[0027] O eletrodo 212 pode ter qualquer diâmetro adequado com base na operação de perfuração. Por exemplo, o eletrodo 212 pode ter um diâmetro entre aproximadamente duas e dez polegadas (isto é, entre aproximadamente 51 e 254 milímetros). O diâmetro do eletrodo pode ser baseado no diâmetro da broca de perfuração de eletroesmagamento 115. [0028] O anel de aterramento 250 pode funcionar como um eletrodo e proporcionar uma localização na broca de perfuração de eletroesmagamento onde um arco pode iniciar e/ou

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 21/53

9/25 terminar. O anel de aterramento 250 proporciona também uma ou mais portas de fluxo de fluido 260, de tal modo que fluxo de fluido de perfuração de eletroesmagamento através de portas de fluxo de fluido 260 carregue as bolhas de rocha e vaporização fraturadas para longe da área de perfuração.

[0029] A FIGURA 3 é um esquema para um circuito de geração de pulsos exemplificativo para um sistema de perfuração de eletroesmagamento de fundo de poço. O circuito de geração de pulsos 300 inclui a entrada 302 da fonte de energia, o circuito do estágio de entrada 304, o circuito de transformador 306 e o circuito do estágio de saída 308.

[0030] Como descrito acima com referência às FIGURAS 2A e 2B, o circuito de geração de pulsos 300 recebe energia elétrica de uma fonte de energia localizada na superfície (por exemplo, gerador 140 descrito com referência à FIGURA 1) e/ou uma fonte de energia localizada no fundo do poço, tal como um gerador alimentado por uma turbina de lama ou um alternador. Por exemplo, os terminais de entrada 310 e 311 da entrada de fonte de energia 302 podem receber uma corrente de entrada alternada de uma fonte de energia de baixa voltagem (por exemplo, uma voltagem de pico entre aproximadamente IkV a 15kV) por meio de um cabo, como o cabo 220 descrito acima em relação às FIGURAS 2A e 2B. O circuito de estágio de entrada 304 recebe energia da entrada de fonte de energia 302 e controla a energia fornecida ao circuito de transformador 306. O circuito de transformador 306 por sua vez transforma a entrada de baixa voltagem numa saída de alta voltagem que é usada para criar pulsos elétricos capazes de aplicar pelo menos 50kV ou entre aproximadamente 50kV e 200kV com um tempo de subida de aproximadamente 5 a 25 microssegundos através dos eletrodos 208 ou 210 e o anel de aterramento 250 da broca de perfuração de eletroesmagamento 114 ilustrada na FIGURA 2A ou o eletrodo 212 e o anel de aterramento 250 da broca de perfuração de eletroesmagamento 115 ilustrada na FIGURA 2B. Como descrito acima com referência às FIGURAS 1 e 2, os pulsos elétricos de alta energia nos eletrodos 208, 210 e 212 são utilizados para perfurar o furo de poço 116 na formação subterrânea 118.

[0031] O circuito do estágio de entrada 304 é acionado eletricamente pela entrada da fonte de energia 302. O circuito de estágio de entrada 304 inclui o capacitor 312 e o circuito de comutação 314 eletricamente acoplado à entrada de fonte de energia 302. Uma corrente

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 22/53

10/25 alternada é aplicada aos terminais de entrada 310 e 311 da entrada da fonte de energia 302 que carregam as placas do capacitor 312, de tal modo que o capacitor 312 armazene energia da entrada da fonte de energia 302. O circuito de comutação 314 controla o fluxo de corrente para o circuito de transformador 306. O circuito de comutação 314 inclui qualquer dispositivo adequado para abrir e fechar o caminho elétrico entre o capacitor 312 e o circuito de transformador 306. Por exemplo, o circuito de comutação 314 pode incluir um comutador mecânico, um comutador de estado sólido, um comutador magnético, um comutador de gás ou qualquer outro tipo ou combinação de comutadores (por exemplo, um conjunto de comutadores dispostos em paralelo ou em série) adequados para abrir e fechar o caminho elétrico entre o capacitor 312 e o indutor 316. Quando o circuito de comutação 314 está fechado, a corrente elétrica flui do capacitor 312 e/ou terminais de entrada 310 e 311 para o circuito de transformador 306. Assim, o circuito de comutação 314 controla a temporização dos pulsos de potência fornecidos ao lado de entrada do circuito de transformador 306. A corrente fornecida ao lado de entrada do circuito de transformador 306 pode estar entre aproximadamente 4kA e 40kA. O circuito do estágio de entrada 304 pode incluir um ou mais componentes adicionais (por exemplo, um capacitor, resistor e/ou indutor) além daqueles mostrados na Figura 3 para condicionar ou controlar a potência da entrada de fonte de energia 302 antes de ser fornecida ao circuito de transformador 306.

[0032] O circuito de transformador 306 inclui enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318 configurados como um transformador de elevação de voltagem. Por exemplo, enrolamentos primários 316, enrolamentos eletricamente acoplados ao circuito do estágio de entrada 304 no lado de entrada ou primário, podem ser enrolados em torno do mesmo núcleo como enrolamentos secundários 318, enrolamentos eletricamente acoplados ao estágio de saída 308 no lado de saída ou secundário, para formar um transformador elétrico. A corrente proveniente do circuito do estágio de entrada 304 que flui através dos enrolamentos primários 316 cria um eletromagnetismo que induz uma corrente através de enrolamentos secundários 318 no lado secundário do circuito de transformador 306. Como descrito em mais detalhes abaixo em relação às FIGURAS 4A e 4B, o circuito de transformador 306 pode ser um transformador de núcleo aberto, multissegmentado que eleva ou aumenta a voltagem no lado secundário do circuito de

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 23/53

11/25 geração de pulsos 300. Por exemplo, o circuito de transformador 306 pode transformar uma baixa voltagem (por exemplo, aproximadamente IkV a 15kV) da entrada da fonte de energia 302 em uma alta voltagem de pelo menos 50kV ou entre aproximadamente 50kV e 200kV que é capaz de criar pulsos elétricos de alta energia para realizar perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica. A concepção de núcleo aberto e multissegmentado do circuito de transformador 306 permite que o circuito de geração de pulsos 300 se encaixe em uma composição de fundo (por exemplo, BHA 128 discutido acima em relação às FIGURAS 1 e 2) e gere pulsos de alta energia para realizar a perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica com uma broca de perfuração (por exemplo, brocas de perfuração 114 e 115 discutidas acima em relação às FIGURAS 2A e 2B).

[0033] O circuito do estágio de saída 308 armazena energia do circuito de transformador 306 para aplicar aos eletrodos de uma broca de perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica. O capacitor 320 é acoplado ao circuito de transformador 306 de tal modo que armazena energia da voltagem aumentada gerada no lado secundário ou de saída do circuito de transformador 306. O eletrodo 208 e o anel de aterramento 250 são acoplados a terminais opostos do capacitor 320 do circuito do estágio de saída 308. Consequentemente, à medida que o potencial elétrico através do capacitor 320 aumenta, o potencial elétrico através do eletrodo 208 e do anel de aterramento 250 também aumenta. O eletrodo 208 e o anel de aterramento 250 fazem parte da broca de perfuração de eletroesmagamento 114 descrita acima com referência às FIGURAS 1 e 2A. Quando o potencial elétrico através, por exemplo, do eletrodo 208 e do anel de aterramento 250 de uma broca de perfuração de eletroesmagamento torna-se suficientemente grande, forma-se um arco elétrico através de uma formação rochosa que está perto do eletrodo 208 e do anel de aterramento 250. O arco fornece um curto-circuito elétrico temporário entre o eletrodo 208 e o anel de aterramento 250, e assim permite que a corrente elétrica flua através do arco no interior de uma porção da formação rochosa no fundo do furo de poço. Como descrito acima com referência à FIGURA 1, o arco aumenta a temperatura da porção da porção de formação rochosa através da qual o arco flui e a formação e materiais circundantes. A temperatura é suficientemente alta para vaporizar qualquer água ou outros fluidos que possam estar

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 24/53

12/25 tocando ou perto do arco e também pode vaporizar parte da própria rocha. O processo de vaporização cria um gás de alta pressão que se expande e, por sua vez, fratura a rocha circundante.

[0034] Embora a FIGURA 3 seja um esquema para uma topologia de circuito de geração de pulsos particular, sistemas de perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica e ferramentas de potência pulsada podem utilizar qualquer topologia de circuito de geração de pulso adequada para gerar e aplicar pulsos de alta energia ao eletrodo 208 e ao anel de aterramento 250. Estas topologias de circuito de geração de pulsos podem utilizar um transformador de elevação de voltagem para gerar uma alta voltagem que é utilizada para criar pulsos elétricos de alta energia necessários para a perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica . Elementos podem ser adicionados ou removidos do esquema ilustrado na FIGURA 3 sem se desviar da presente invenção. Por exemplo, elementos adicionais podem ser adicionados ao circuito do estágio de entrada 304 para condicionar a potência da entrada de fonte de energia 302 antes de ser fornecida ao circuito de transformador 306. Embora o eletrodo 208 e o anel de aterramento 250 sejam mostrados na FIGURA 3, o circuito de geração de pulsos 300 pode fornecer pulsos elétricos de alta energia a outros eletrodos, tal como 208 ou 210 e o anel de aterramento 250 da broca de perfuração de eletroesmagamento 114 ou o eletrodo 212 e o anel de aterramento 250 da broca de perfuração de eletroesmagamento 115 respectivamente descritos acima com referência às FIGURAS 2A e 2B. Os elementos individuais do circuito no circuito de geração de pulsos 300 podem ser selecionados com base nas características de operação, tais como voltagem, corrente e/ou frequência, da entrada da fonte de energia 302, e/ou no desempenho desejado da broca de perfuração e/ou circuito de geração de pulsos. Por exemplo, quando a entrada 302 da fonte de energia opera a uma frequência de 5 kHz, uma corrente primária combinada entre aproximadamente 4kA e 40kA, e uma voltagem entre aproximadamente IkV e 15kV, o capacitor 312 pode ter um valor entre 4 microfarad (nF) e 2 mililitros (mF), e o capacitor 320 pode ter um valor entre 70 nanofarad (nF) e 150nF. A concepção e a configuração do circuito de transformador 306 são discutidas em mais detalhes abaixo em relação às FIGURAS 4 e 4A.

[0035] A FIGURA 4A é uma vista lateral em corte transversal de um circuito de

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 25/53

13/25 transformador exemplificative para um sistema de perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica no fundo de poço, e a FIGURA 4B é uma vista explodida do mesmo. O circuito de transformador 306 é um transformador de elevação de voltagem que inclui enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318 em torno do núcleo 406 no interior do alojamento 410. Os enrolamentos primários 316 são compostos de múltiplos segmentos de fios configurados concentricamente com enrolamentos secundários 318 para formar um transformador de núcleo aberto que opera da maneira descrita abaixo. O material isolante 412 pode ser colocado entre os enrolamentos primários 316 e os enrolamentos secundários 318 para isolar eletricamente os enrolamentos e evitar curtoscircuitos entre os fios nos enrolamentos. O material isolante 412 pode incluir quaisquer materiais eletricamente isolantes, incluindo os discutidos abaixo em relação à FIGURA 5. [0036] Os enrolamentos primários multissegmentados 316 são formados por segmentos individuais de fio enrolados em torno do núcleo 406. Os segmentos de fio dos enrolamentos primários 316 podem ser colocados lado a lado ao longo do comprimento do núcleo 406. Os fios segmentados de enrolamentos primários multissegmentados 316 são acoplados a uma fonte de energia comum, tal como a entrada de fonte de energia 302 da FIGURA 3 através de um circuito de entrada, tal como o circuito de estágio de entrada 304 da FIGURA 3. Como descrito acima com referência à FIGURA 3, uma corrente alternada da entrada da fonte de energia flui através dos enrolamentos primários 316, de tal modo que a corrente cria um eletromagnetismo variável (isto é, fluxo magnético) em e ao redor dos enrolamentos secundários 318. Os enrolamentos primários 316 incluem material eletricamente condutor, tal como cobre, formado em uma forma sólida ou oca com uma seção transversal circular ou retangular. Embora os enrolamentos primários 316 sejam mostrados configurados como um solenoide nas FIGURAS 4A e 4B, os enrolamentos primários 316 podem ser configurados em outro arranjo em torno de 406.

[0037] Os enrolamentos secundários 318 do circuito de transformador 306 também envolvem o núcleo 406 para formar o circuito de transformador 306 com enrolamentos primários 316. Os enrolamentos primários 316 são enrolados em torno dos enrolamentos secundários 318 e do núcleo 406 de tal modo que os enrolamentos 316 e 318 são concêntricos em relação um ao outro. O eletromagnetismo criado pelo fluxo de corrente

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 26/53

14/25 nos enrolamentos primários 316 induz a corrente e a voltagem nos enrolamentos secundários 318 devido à indução eletromagnética. A corrente e a voltagem criadas em enrolamentos secundários 318 alimentam outros elementos, tais como o circuito de estágio de saída 308 do circuito de geração de pulsos 300 descrito acima em relação à FIGURA 3. Os enrolamentos secundários 318 incluem material eletricamente condutor, tal como cobre, formado em uma forma sólida ou oca com uma seção transversal circular ou retangular. Embora os enrolamentos secundários 318 sejam mostrados como estando localizados no interior dos enrolamentos primários 316 na FIGURA 4A, os enrolamentos secundários 318 podem envolver os enrolamentos primários 316 e o núcleo 406 de modo que os enrolamentos 316 e 318 sejam concêntricos um em relação ao outro. Os enrolamentos secundários 318 podem ser configurados em outra disposição em torno de 406, além da configuração de solenoide ilustrada na FIGURA 4A.

[0038] Os enrolamentos primários 316 e os enrolamentos secundários 318 são configurados para formar um transformador de elevação que transforma a baixa voltagem de entrada em uma voltagem de saída mais alta. A voltagem de saída do circuito de transformador 306 depende em parte da razão de enrolamentos entre os enrolamentos primários 316 e os enrolamentos secundários 318. Os enrolamentos secundários 318 incluem um maior número de enrolamentos em comparação com o número total de enrolamentos nos enrolamentos primários 316. Por exemplo, os enrolamentos secundários 318 podem incluir entre aproximadamente 8 a 12 ou mais vezes tantos enrolamentos quantos os enrolamentos primários 316. A razão mais alta de enrolamentos secundários 318 para enrolamentos primários 316 transforma a baixa voltagem de entrada fornecida pela fonte de energia no lado primário do circuito de transformador 306 em uma voltagem de saída mais alta no lado secundário do circuito de transformador 306. O aumento da voltagem de saída no lado secundário, em comparação com a voltagem de entrada no lado primário, é aproximadamente proporcional à razão entre os enrolamentos primários 316 e os enrolamentos secundários 318. Assim, a razão de enrolamentos secundários 318 para enrolamentos primários 316 permite que o circuito de transformador 306 transforme a baixa voltagem (por exemplo, aproximadamente IkV a 15kV) da entrada da fonte de energia em uma voltagem de saída de pelo menos 50kV ou entre aproximadamente 50kV e

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 27/53

15/25

200kV. A voltagem de saída mais alta pode ser descarregada em aproximadamente 5 a 25 microssegundos para criar os pulsos de alta energia usados para a perfuração de eletroesmagamento. Para permitir uma razão de voltas mais elevada, os enrolamentos primários 316 podem ser formados por mais segmentos de fio com menos voltas, ou enrolamentos secundários 318 podem estar localizados concentricamente no interior dos enrolamentos primários 316 de tal modo que mais enrolamentos secundários podem ser colocados em uma área menor usando material eletricamente condutivo mínimo.

[0039] Os fios individuais dos enrolamentos primários 316 formam um enrolamento primário multissegmentado. A corrente proveniente da entrada da fonte de energia flui através de cada segmento de fio dos enrolamentos primários 316. Cada segmento de fio tem uma impedância elétrica que se opõe ao fluxo de corrente através do fio e varia com base no material, comprimento, resistência, capacitância e/ou outros atributos do fio. Os segmentos de fio dos enrolamentos primários 316 estão conectados em paralelo a uma entrada de fonte de energia comum (por exemplo, entrada de fonte de energia 302 da FIGURA 3) através de um circuito de entrada, tal como circuito de estágio de entrada 304 da FIGURA 3. Ao dispor os fios em paralelo, a impedância combinada para os enrolamentos primários 316 é reduzida de tal modo que mais corrente (por exemplo, entre aproximadamente 4kA e 40kA) pode ser fornecida aos enrolamentos primários 316 em comparação com um transformador com enrolamentos primários não segmentados devido à reduzida oposição ao fluxo de corrente nos fios. A corrente aumentada nos enrolamentos primários 316 permite uma maior potência operacional além de criar um eletromagnetismo aumentado que permite uma voltagem de saída mais alta do circuito de transformador 306. Além disso, a impedância reduzida dos enrolamentos primários 316 reduz a quantidade de calor gerada pela operação do circuito de transformador 306, reduzindo assim a perda de energia operacional e melhorando a eficiência de transferência de energia do circuito em comparação com um circuito de transformador com enrolamentos primários não segmentados. Assim, os enrolamentos primários multissegmentados 316 aumentam a faixa de potência de operação e melhoram a eficiência do circuito de transformador 306.

[0040] O circuito de transformador 306 é concebido como um transformador de núcleo aberto para reduzir o diâmetro do circuito de geração de pulsos 300. Em um transformador

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 28/53

16/25 de núcleo fechado, o material do núcleo é formado em um anel para concentrar o eletromagnetismo entre os enrolamentos. Em contraste, um transformador de núcleo aberto, como o circuito de transformador 306 com núcleo 406, é formado por uma forma alongada com uma seção transversal estreita (por exemplo, um cilindro com um diâmetro entre aproximadamente 2 e 24 polegadas ou 5 e 61 centímetros ) tal que o circuito de transformador 306 se encaixa no interior de uma composição de fundo (por exemplo, BHA 128 discutido acima em relação às FIGURAS 1 e 2) de uma broca de perfuração (por exemplo, brocas de perfuração 114 e 115 discutidas acima em relação às FIGURAS 2A e 2B) utilizadas para perfurar um furo de poço em uma formação subterrânea. Por conseguinte, a concepção de núcleo aberto permite um diâmetro menor para o circuito de transformador 306 que facilita a colocação no fundo do poço.

[0041] Uma concepção de núcleo aberto pode resultar em acoplamento eletromagnético diminuído entre enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318, em comparação com uma concepção de núcleo fechado. Assim, a colocação de enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318 é selecionada para melhorar o acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos. Os enrolamentos primários 316 são enrolados em torno dos enrolamentos secundários 318 de uma maneira concêntrica. Como explicado acima, o eletromagnetismo criado pelo fluxo de corrente nos enrolamentos primários 316 induz a corrente e a voltagem nos enrolamentos secundários 318 devido à indução eletromagnética. Algum eletromagnetismo criado no lado primário é perdido devido a materiais próximos e o espaçamento entre os enrolamentos 316 e 318. Para reduzir esta perda, os enrolamentos 316 e 318 podem ser colocados próximos uns dos outros (por exemplo, aproximadamente 3 e 20 milímetros afastados) para aumentar o acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos. O acoplamento eletromagnético pode ser expresso como um coeficiente de acoplamento, um número fracionário entre 0 e 1, em que um coeficiente de acoplamento menor representa um acoplamento eletromagnético menor e um coeficiente de acoplamento maior representa um acoplamento eletromagnético maior. Quanto maior o coeficiente de acoplamento, maior a corrente induzida e a voltagem nos enrolamentos secundários 318. A colocação dos enrolamentos 316 e 318 no interior do circuito de transformador 306 pode alcançar um coeficiente de acoplamento entre

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 29/53

17/25 aproximadamente 0,4 e 0,8. O aumento do acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos primários 316 e os enrolamentos secundários 318 pode reduzir a perda eletromagnética entre os enrolamentos e, assim, melhorar a eficiência operacional do circuito de transformador 306. A proximidade entre os enrolamentos 316 e 318 também pode ajudar a manter um diâmetro para o circuito de transformador 306 que se encaixa no interior de uma composição de fundo (por exemplo, BHA 128 discutida acima em relação às FIGURAS 1 e 2).

[0042] O circuito de transformador 306 pode ser um transformador de núcleo de ar de núcleo aberto que não inclui material magnético adicionado. Isto é, o espaço entre os enrolamentos 316 e 318 pode ser preenchido com ar ou outros materiais não ferromagnéticos, de tal modo que o circuito de transformador 306 é uma concepção de núcleo de ar. A concepção do núcleo de ar do circuito de transformador 306 ajuda a evitar a saturação comum com o material do núcleo magnético e a variabilidade causada pelo efeito das condições operacionais extremas no fundo de poço no desempenho do material do núcleo.

[0043] O núcleo 406 do circuito de transformador 306 está localizado no ou próximo do centro dos enrolamentos concêntricos 316 e 318. Os enrolamentos primários 316 envolvem enrolamentos secundários 318, e ambos os enrolamentos envolvem o núcleo 406. Devido à sua colocação exterior (não entre os enrolamentos) de enrolamentos concêntricos, o núcleo 406 não faz parte do circuito magnético formado entre enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318. O núcleo 406 ainda afeta o acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos 316 e 318 devido à sua proximidade e posicionamento em relação aos enrolamentos. Por exemplo, o núcleo 406 pode concentrar o fluxo magnético de franja (isto é, eletromagnetismo de franja que está fora do circuito magnético formado entre enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318) ao longo do diâmetro interno do circuito de transformador 306. Concentrar o fluxo magnético de franjas perto do centro do circuito de transformador 306 pode reduzir a quantidade de fluxo magnético de franja que é perdido à medida que o fluxo intercepta e se dissipa através de outros componentes do fundo de poço. O fluxo redutor em outros componentes do fundo de poço pode melhorar o acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos 316 e 318, e assim a

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 30/53

18/25 eficiência operacional do circuito de transformador 306. Semelhante ao espaço entre os enrolamentos primários 316 e os enrolamentos secundários 318 discutidos acima, o núcleo 406 pode ser preenchido com ar ou outro material não ferro magnético. Contudo, o núcleo 406 pode também incluir material de núcleo magnético suplementar para ajudar a atrair o fluxo magnético de franja ao longo do diâmetro interno do circuito de transformador 306. As possibilidades de saturação para material magnético no interior do núcleo 406 são eliminadas porque o núcleo 406 sofre menos fluxo eletromagnético do que o circuito magnético entre enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318, e o fluxo eletromagnético não é armazenado na configuração de núcleo aberto. O núcleo suplementar adicionado ao núcleo 406 pode ser selecionado para ter menor variabilidade em resposta às condições extremas de operação de fundo de poço. Por exemplo, o material de núcleo suplementar preferido inclui uma liga de cobalto-ferro, tal como superendurecedor, que pode incluir aproximadamente quarenta e oito por cento de cobalto, aproximadamente quarenta e oito por cento de ferro e aproximadamente dois por cento de vanádio em peso. O material do superendurecedor mantém sua alta permeabilidade relativa em uma ampla faixa de temperaturas (por exemplo, de aproximadamente 10 a 200 graus Centígrados) e, portanto, resiste às altas temperaturas de um ambiente de fundo de poço. O material de núcleo suplementar também pode incluir um material de ferrita, um material magnético laminado de faixa com uma temperatura de Curie de 200 graus centígrados ou maior, Metglas®, que inclui uma fina fita de liga de metal amorfo que pode ser magnetizada e desmagnetizada, ou outro material de alta permeabilidade magnética que mantém sua permeabilidade magnética ao longo de uma faixa de temperaturas de fundo de poço (por exemplo, de aproximadamente 10 a 200 graus centígrados) como Silectron™ (por exemplo, material de aço silício composto de aproximadamente 3% de aço silício e 97% de ferro) e Supermalloy™ por exemplo, composto de aproximadamente 80% de ferroníquel e aproximadamente 20% de liga de ferro).

[0044] As várias características de concepção do circuito de transformador 306 permitem que o circuito opere num nível de alta potência enquanto ainda se encaixa fisicamente no interior dos limites estreitos de um furo de poço. Por exemplo, enrolamentos primários multissegmentados 316 ajudam a reduzir a impedância no lado de entrada do circuito de

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 31/53

19/25 transformador 306, de modo que mais corrente de entrada possa fluir através do circuito. Os enrolamentos primários multissegmentados 316 reduzem simultaneamente a perda de energia operacional, melhorando assim a eficiência operacional do circuito. Uma razão mais elevada de enrolamentos secundários 318 para enrolamentos primários 316 aumenta a baixa voltagem de entrada para uma voltagem de saída mais elevada que é utilizada para gerar pulsos de alta energia para a perfuração de eletroesmagamento ou eletro-hidráulica. O circuito de transformador 306 pode ser configurado com um diâmetro estreito devido a sua concepção de núcleo aberto com enrolamentos primários e secundários concêntricos. A concepção do núcleo de ar do circuito de transformador 306 elimina o risco de saturação comum com o material do núcleo magnético e a variabilidade causada pelo efeito das condições operacionais extremas no fundo de poço no desempenho do material do núcleo. O material de núcleo magnético suplementar pode ser adicionado ao núcleo 406, fora do circuito magnético do transformador, para concentrar o fluxo magnético de franja longe de outros componentes de fundo de poço, reduzindo assim a perda de fluxo magnético de franja e a eficiência operacional do circuito de transformador 306.

[0045] O circuito de transformador 306 pode ser fisicamente dimensionado para encaixar numa ferramenta de fundo de poço. O tamanho físico do circuito de transformador 306 pode depender do tamanho do núcleo 406, do número e do tamanho dos enrolamentos primários 316 e dos enrolamentos secundários 318, do espaçamento entre os enrolamentos primários 316 e dos enrolamentos secundários 318, das dimensões do alojamento 410, e da disposição e/ou espaçamento dos enrolamentos primários 316 e enrolamentos secundários 318 no interior do alojamento 410. O comprimento (ao longo do eixo X na FIGURA 4A) do circuito de transformador 306 pode variar inversamente com a largura (ao longo do eixo Y da FIGURA 4A) do circuito de transformador 306. Como o circuito de transformador 306 é tornado mais estreito para encaixar no interior de furos de poço com diâmetros menores, o comprimento do circuito de geração de pulsos 300 pode aumentar para acomodar os materiais e componentes que compreendem o circuito. Inversamente, o comprimento do circuito de geração de pulsos 300 pode ser diminuído aumentando a largura do circuito de geração de pulsos 300. O comprimento do circuito de transformador 306 pode estar entre aproximadamente 3 e 25 pés (entre aproximadamente 1 e 8 metros) e

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 32/53

20/25 o diâmetro do circuito pode estar entre aproximadamente 4 e 20 polegadas (entre aproximadamente 10 e 51 centímetros).

[0046] O circuito de geração de pulsos 300 pode ser encapsulado por material isolante para proteger contra o ambiente severo de fundo de poço e facilitar a dissipação do calor gerado pelo circuito. A FIGURA 5 é uma vista em corte de topo de uma ferramenta de potência pulsada exemplificativa para um sistema de perfuração de eletroesmagamento e/ou eletrohidráulica de fundo de poço. A ferramenta de potência pulsada 230 inclui o circuito de geração de pulsos 300, o circuito representado acima na FIGURA 3. O circuito de geração de pulsos 300 pode ser configurado e dimensionado para encaixar no interior da seção circular da ferramenta de potência pulsada 230, a qual, conforme descrito acima com referência às FIGURAS 2A e 2B, pode fazer parte da BHA 128. O circuito de geração de pulsos 300 pode ser incluído no interior do encapsulante 510 que inclui um material termicamente condutor para proteger o circuito de geração de pulsos 300 da ampla faixa de temperaturas (por exemplo, de aproximadamente 10 a 200 graus Centrados) no interior do furo de poço. Por exemplo, o encapsulante 510 pode incluir APTEK® 2100-A/B, que é um sistema de uretano eletricamente isolante, não preenchido, de dois componentes para o envasamento e encapsulação de componentes eletrônicos, e tem uma condutividade térmica de aproximadamente 170 mW/mK. O encapsulante 510 pode incluir um ou mais outros materiais termicamente condutores com uma resistência dielétrica superior a aproximadamente 350 volt/mil (por exemplo, superior a aproximadamente 13. 780 volt/milímetro) e uma capacidade de temperatura superior a aproximadamente 120 graus centígrados, como DOW CORNING® OE-6636 e OE-6550, e filme de poli-imida Kapton®. O encapsulante 510 se une a uma parede externa de um ou mais canais de fluido 234. Como descrito acima com referência à FIGURA 1, o fluido de perfuração 122 passa através dos canais interiores (por exemplo, canais de fluido 234) da coluna de perfuração 108 quando o fluido de perfuração é bombeado para baixo através de uma coluna de perfuração. O encapsulante 510 pode transferir calor gerado pelo circuito de geração de pulsos 300 para o fluido de perfuração que passa através dos canais de fluido 234. O encapsulante 510 pode também isolar o circuito de geração de pulsos 300 do calor gerado por outros componentes de fundo de poço. Assim, o encapsulante 510 pode impedir o

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 33/53

21/25 sobreaquecimento do circuito de geração de pulsos 300 a uma temperatura que degrada a permeabilidade relativa do núcleo dos núcleos dos indutores no circuito de geração de pulsos 500.

[0047] A FIGURA 6 ilustra um fluxograma de um método exemplificativo para perfurar um furo de poço.

[0048] O método 600 pode começar e, na etapa 610, uma broca de perfuração de eletroesmagamento ou eletro-hidráulica pode ser colocada no fundo de poço num furo de poço. Por exemplo, a broca de perfuração 114 pode ser colocada no furo de poço 116 como mostrado na FIGURA 1.

[0049] Na etapa 620, energia elétrica é fornecida a um circuito de geração de pulsos acoplado a um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo da broca de perfuração. O primeiro eletrodo pode ser o eletrodo 208, 210 ou 212 e o segundo eletrodo pode ser um anel de aterramento 250 discutido acima em relação às FIGURAS 2A e 2B. Por exemplo, como descrito acima com referência à FIGURA 3, o circuito de geração de pulsos 300 pode ser implementado no interior da ferramenta de potência pulsada 230 das FIGURAS 2A e 2B. E como descrito acima com referência às FIGURAS 2A e 2B, a ferramenta de potência pulsada 230 pode receber potência elétrica de uma fonte de energia na superfície, de uma fonte de energia localizada no fundo de poço ou de uma combinação de uma fonte de energia na superfície e uma fonte de energia localizada no fundo de poço. A potência pode ser fornecida no fundo de poço para o circuito de geração de pulsos 300 por meio de um cabo, tal como o cabo 220 acima descrito em relação às FIGURAS 2A e 2B. A potência pode ser fornecida ao circuito de geração de pulsos 300 no interior da ferramenta de potência pulsada 230 na entrada da fonte de energia 302.

[0050] Na etapa 630, o circuito de geração de pulsos converte a potência elétrica da fonte de energia em pulsos elétricos de alta energia para uso da broca de perfuração de eletroesmagamento. Por exemplo, como descrito acima com referência à FIGURA 3, o circuito geração de pulsos 300 pode incluir um circuito do estágio de entrada 304, circuito de transformador 306 e um circuito do estágio de saída 308. O circuito geração de pulsos 300 aumenta a entrada de baixa voltagem para uma saída de alta voltagem que é utilizada para criar pulsos de alta energia para o sistema de perfuração. Por exemplo, o circuito

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 34/53

22/25 geração de pulsos pode usar uma razão maior de enrolamentos secundários para enrolamentos primários no circuito de transformador para converter uma entrada de fonte de energia de baixa voltagem (por exemplo, aproximadamente IkV a 15kV) em pulsos elétricos de alta energia capazes de aplicar pelo menos 50kV ou entre aproximadamente 50kV e 200kV através dos eletrodos da broca de perfuração.

[0051] Na etapa 640, pode ser formado um arco elétrico entre dois eletrodos da broca de perfuração. Por exemplo, um arco elétrico pode ser formado entre o eletrodo 208 ou 210 e o anel de aterra mento 250 da broca de perfuração de eletroesmagamento 114 ilustrado na FIGURA 2A ou eletrodo 212 e anel de aterramento 250 de broca de perfuração de eletroesmagamento 115 ilustrado na FIGURA 2B.

[0052] E na etapa 650, um capacitor no circuito do estágio de saída pode descarregar através do arco elétrico. Por exemplo, à medida que a voltagem através do capacitor 320 do circuito do estágio de saída 308 aumenta durante a etapa 630, a voltagem através do primeiro elétrodo e do segundo eletrodo também aumenta. Como descrito acima com referência às FIGURAS 1 e 2, quando a voltagem através dos dois eletrodos (por exemplo, eletrodo 208 e anel de aterramento 250 ilustrado na FIGURA 3) se torna suficientemente grande, pode se formar um arco através de uma formação rochosa que está em contato com ou perto dos eletrodos. O arco pode fornecer um curto-circuito elétrico temporário entre o eletrodo 208 e o anel de aterramento 250, e assim pode descarregar, em um nível de corrente alta, a voltagem acumulada através do capacitor 320 ilustrado na FIGURA 3.

[0053] Na etapa 660, a formação rochosa na extremidade do furo de poço pode ser fraturada com o arco elétrico. Por exemplo, como descrito acima com referência às FIGURAS 1 e 2, o arco aumenta grandemente a temperatura da porção da porção de formação rochosa através da qual o arco flui bem como a formação e os materiais circundantes. A temperatura é suficientemente alta para vaporizar qualquer água ou outros fluidos que possam estar tocando ou perto do arco e também pode vaporizar parte da própria rocha. O processo de vaporização cria um gás de alta pressão que se expande e, por sua vez, fratura a rocha circundante.

[0054] N etapa 670, a rocha fraturada pode ser removida da extremidade do furo de poço. Por exemplo, como descrito acima com referência à FIGURA 1, o fluido de perfuração de

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 35/53

23/25 eletroesmagamento 122 pode afastar a rocha fraturada dos eletrodos e a parte superior da broca de perfuração. Como descrito acima em relação às FIGURAS 2A e 2B, fluido de perfuração de eletroesmagamento 122 e a rocha fraturada pode passar pelos eletrodos através das passagens 260 da broca de perfuração. Subsequentemente, o método 700 pode terminar.

[0055] Modificações, acréscimos ou omissões podem ser feitos ao método 700 sem que ocorra afastamento demasiado do escopo da divulgação. Por exemplo, a ordem das etapas pode ser desempenhada de maneira diferente do que a que foi descrita e algumas etapas podem ser desempenhadas simultaneamente. Além disso, cada etapa individual pode incluir etapas adicionais sem que ocorra afastamento do escopo da presente divulgação. [0056] As modalidades aqui incluídas podem incluir:

A. Um sistema de perfuração de fundo de poço incluindo um circuito de geração de pulsos eletricamente acoplado a uma fonte de energia configurada para fornecer uma corrente alternada a uma frequência e uma voltagem de entrada, compreendendo um circuito do estágio de entrada eletricamente acoplado à fonte de energia, o circuito do estágio de entrada configurado para controlar a corrente alternada no circuito de geração de pulsos; um circuito de transformador eletricamente acoplado ao circuito do estágio de entrada, o circuito de transformador compreendendo um transformador de núcleo aberto configurado para gerar uma voltagem de saída maior do que a voltagem de entrada; e um circuito do estágio de saída eletricamente acoplado ao circuito de transformador, o circuito do estágio de saída configurado para armazenar energia para um pulso elétrico; e uma broca de perfuração incluindo um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo eletricamente acoplados ao circuito do estágio de saída para receber o pulso elétrico do circuito de geração de pulsos.

B. Um método incluindo fornecer uma corrente alternada e uma corrente de entrada de uma fonte de energia a uma frequência para um circuito de geração de pulsos eletricamente acoplado a uma broca de perfuração localizada no fundo de poço num furo de poço; gerar um pulso elétrico com o circuito de geração de pulsos, o pulso elétrico armazenado em um capacitor de saída e gerado na frequência por um transformador de núcleo aberto, formar um arco elétrico entre um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo da broca de perfuração,

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 36/53

24/25 o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo eletricamente acoplados ao capacitor de saída; descarregar o capacitor de saída pelo arco elétrico; fraturar uma formação rochosa na extremidade do furo de poço com o arco elétrico; e remover a rocha fraturada da extremidade do furo de poço.

[0057] Cada uma das modalidades A e B pode possuir um ou mais dentre os seguintes elementos adicionais em qualquer combinação: Elemento 1: em que o circuito do estágio de entrada compreende um capacitor e um comutador acoplado ao capacitor, o comutador configurado para abrir e fechar um caminho elétrico entre o capacitor e o circuito de transformador, a corrente alternada da fonte de energia passando para o circuito do transformador quando o caminho elétrico é fechado. Elemento 2: em que o circuito de transformador compreende ainda uma pluralidade de enrolamentos primários eletricamente acoplados ao circuito do estágio de entrada; e uma pluralidade de enrolamentos secundários concêntricos e acoplados eletromagneticamente aos enrolamentos primários, os enrolamentos primários e secundários formando o transformador de núcleo aberto. Elemento 3: em que o transformador de núcleo aberto é ainda configurado como um transformador de núcleo de ar que não possui material ferro magnético. Elemento 4: em que os enrolamentos primários são constituídos por uma pluralidade de fios segmentados acoplados ao circuito do estágio de entrada. Elemento 5: em que os enrolamentos primários e secundários são enrolados em torno de um núcleo. Elemento 6: em que o núcleo concentra um fluxo magnético de franja dos enrolamentos primário e secundário. Elemento 7: em que a frequência é inferior a 100 MHz. Elemento 8: em que o pulso elétrico do circuito de geração de pulsos aplica uma voltagem de pelo menos 50kV nos dois eletrodos. Elemento 9: em que a broca de perfuração está integrada no interior de uma composição de fundo. Elemento 10: em que a broca de perfuração é uma broca de perfuração de eletroesmagamento e uma broca de perfuração eletro-hidráulica. Elemento 11: em que um dos dois eletrodos é um anel de aterramento. Elemento 12: em que o circuito de geração de pulsos compreende um circuito da entrada de estágio eletricamente acoplado à fonte de energia, o circuito do estágio entrada configurado para controlar a corrente alternada no circuito de geração de pulsos; um circuito de transformador eletricamente acoplado ao circuito do estágio de entrada, o circuito do transformador compreendendo o transformador

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 37/53

25/25 de núcleo aberto configurado para gerar uma voltagem de saída maior do que a voltagem de entrada com o transformador de elevação de voltagem; e um circuito do estágio de saída eletricamente acoplado ao circuito do transformador, o circuito do estágio de saída configurado para armazenar uma energia a partir da voltagem de saída.

[0058] As modalidades descritas na presente divulgação destinam-se a ser utilizadas em perfuração de eletroesmagamento e/ou eletro-hidráulica, e a referência a uma ou outra forma de perfuração na divulgação acima não se destina a limitar a aplicabilidade da modalidade a essa forma particular de perfuração. Embora a presente divulgação tenha sido descrita com várias modalidades, várias alterações e modificações podem ser sugeridas a um versado na técnica. Pretende-se que a presente divulgação englobe as várias alterações e modificações que caem no interior do âmbito das reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de perfuração de fundo de poço, caracterizado pelo fato de compreender:

um circuito e geração de pulsos eletricamente acoplado a uma fonte de energia configurada para fornecer uma corrente alternada a uma frequência e a uma voltagem de entrada, o circuito de geração de pulsos compreendendo:

um circuito do estágio de entrada eletricamente acoplado à fonte de energia, o circuito do estágio entrada configurado para controlar a corrente alternada no circuito de geração de pulsos;

um circuito de transformador eletricamente acoplado ao circuito do estágio de entrada, o circuito do transformador compreendendo o transformador de núcleo aberto configurado para gerar uma voltagem de saída maior do que a voltagem de entrada; e um circuito do estágio de saída eletricamente acoplado ao circuito do transformador, o circuito do estágio de saída configurado para armazenar energia a partir da voltagem de saída; e uma broca de perfuração incluindo um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo acoplado eletricamente ao circuito do estágio de saída para receber o pulso elétrico do circuito de geração de pulsos.
2. Sistema de perfuração de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o circuito do estágio de entrada compreender:

um capacitor; e um comutador acoplado ao capacitor, o comutador configurado para abrir e fechar um caminho elétrico entre o capacitor e o circuito do transformador, a corrente alternada da fonte de energia passando para o circuito do transformador quando o caminho elétrico é fechado.
3. Sistema de perfuração de fundo de poço, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o circuito de transformador compreender ainda:

uma pluralidade de enrolamentos primários eletricamente acoplados ao circuito do estágio de entrada, os enrolamentos primários opcionalmente compreendem uma pluralidade de fios segmentados acoplados ao circuito do estágio de entrada; e uma pluralidade de enrolamentos secundários concêntricos e eletromagneticamente

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 51/53

2/3 acoplados aos enrolamentos primários, os enrolamentos primários e secundários formando o transformador de núcleo aberto que é opcionalmente uma transformador de núcleo de ar não tendo nenhum material ferro magnético.
4. Sistema de perfuração de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de os enrolamentos primários e secundários serem enrolados em torno de um núcleo; e o núcleo concentra um fluxo magnético de franja dos enrolamentos primário e secundário.
5. Sistema de perfuração de fundo de poço, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a frequência ser inferior a 100 MHz.
6. Sistema de perfuração de fundo de poço, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o pulso elétrico do circuito de geração de pulsos aplicar uma voltagem de pelo menos 50kV nos dois eletrodos.
7. Método, caracterizado pelo fato de compreender:

fornecer uma corrente alternada e uma voltagem de entrada de uma fonte de energia a uma frequência para um circuito de geração de pulsos acoplado eletricamente a uma broca de perfuração localizada no fundo de poço num furo de poço;

gerar um pulso elétrico com o circuito de geração de pulsos, o pulso elétrico armazenado em um capacitor de saída e gerado na frequência por um transformador de núcleo aberto, formar um arco elétrico entre um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo da broca de perfuração, o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo acoplados eletricamente ao capacitor de saída;

descarregar o capacitor de saída pelo arco elétrico;

fraturar uma formação rochosa na extremidade do furo de poço com o arco elétrico; e remover a rocha fraturada do final do furo de poço.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o circuito de geração de pulsos compreender:

um circuito do estágio de entrada eletricamente acoplado à fonte de energia, o circuito do estágio entrada configurado para controlar a corrente alternada no circuito de geração de pulsos;

um circuito de transformador acoplado eletricamente ao circuito do estágio de entrada, o

Petição 870190083937, de 28/08/2019, pág. 52/53

3/3 circuito do transformador compreendendo o transformador de núcleo aberto configurado para gerar uma voltagem de saída maior do que a voltagem de entrada com o transformador de elevação de voltagem; e um circuito do estágio de saída acoplado eletricamente ao circuito do transformador, o circuito do estágio de saída configurado para armazenar uma energia a partir da voltagem de saída.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o circuito do estágio de entrada compreender:

um capacitor; e um comutador acoplado ao capacitor, o comutador configurado para abrir e fechar um caminho elétrico entre o capacitor e o circuito do transformador, a corrente alternada da fonte de energia passando para o circuito do transformador quando o caminho elétrico é fechado.
10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o circuito de transformador compreender:

uma pluralidade de enrolamentos primários eletricamente acoplados ao circuito de estágio de entrada, os enrolamentos primários opcionalmente compreendem uma pluralidade de fios segmentados acoplados ao circuito do estágio de entrada; e uma pluralidade de enrolamentos secundários concêntricos e eletromagneticamente acoplados aos enrolamentos primários, os enrolamentos primários e secundários formando o transformador de núcleo aberto.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de:

os enrolamentos primários e secundários serem enrolados em torno de um núcleo; e o núcleo concentrar um fluxo magnético de franja dos enrolamentos primário e secundário.
12. Método, de acordo com a reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de a frequência ser inferior a 100 MHz.
13. Método, de acordo com a reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de o pulso elétrico do circuito de geração de pulsos aplicar uma voltagem de pelo menos 50kV no primeiro eletrodo e no segundo eletrodo.