BR112019024263B1 - Sistema e método de coluna de perfuração com redução de vibração - Google Patents
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Abstract
a presente invenção refere-se a uma coluna de perfuração, que compreende uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração, feita, por exemplo, de um material, tal como uma liga de alumínio, titânio, material composto ou ferro dúctil, e outra seção de tubo de perfuração feita de um material diferente, tal como aço convencional. a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração pode ser colocada em qualquer local desejado, tal como próximo de um equipamento sensível, tal como uma composição de fundo de poço. seções de unidade de depósito adicionais podem ser interpostas com o tubo de perfuração convencional. o tubo de perfuração com amortecimento de vibração ajuda a reduzir a vibração experimentada pela coluna de perfuração durante a perfuração, particularmente, as vibrações de torção e lateral.
Description
[0001] Este pedido de patente reivindica a prioridade e o benefício do pedido de patente provisório U.S. de n° de série 62/508.475, intitulado "Vibration Reducing Drill String System and Method", depositado em 19 de maior de 2017, que é incorporado por referência na sua totalidade.
[0002] A presente invenção refere-se, de uma maneira geral, a colunas de perfuração, tais como as usadas para acesso a horizontes de interesse de exploração e produção de óleo e gás.
[0003] O desenvolvimento de tecnologias para exploração e acesso a minerais em ambientes subterrâneos produziu enormes avanços pelas décadas passadas. Ainda que poços possam ser perfurados e trabalhados para muitas diferentes razões, são de particular interesse aqueles usados para acesso a petróleo, gás natural e outros combustíveis. Esses poços podem ser localizados tanto em terra quanto no mar. Desafios particulares são apresentados por ambos os ambientes, e, em muitos casos, os poços de base marinha são mais demandantes em termos de projeto e implementação. Uma questão particular na perfuração envolve níveis extremos de vibração, que podem ser provocadas pela interação da broca de perfuração no fundo ou na parte mais distante de uma coluna de perfuração com as estruturas geológicas encontradas e que devem ser atravessadas para atingir horizontes de interesse.
[0004] As vibrações das colunas de perfuração são uma preocupação significativa durante as operações de perfuração e são uma causa comum de falhas em ferramentas de fundo de poço, falhas de equipamentos mais sensíveis, tais como componentes de uma composição de fundo de poço (BHA) crítica, ou outra parte do equipamento. As vibrações das colunas de perfuração são tipicamente categorizadas em três modos: axial (a coluna de perfuração fica vibrando ao longo do eixo de perfuração); lateral (a coluna de perfuração fica vibrando perpendicular ao eixo de perfuração); e de torção (a coluna de perfuração fica girando ao longo do eixo de rotação). As vibrações são induzidas de vários modos incluindo no piso de perfuração, na rocha de corte por broca de perfuração, girando uma massa desequilibrada (seções da BHA), etc.
[0005] Há uma necessidade na técnica para modos aperfeiçoados de redução dessas vibrações, ou para pelo menos atenuar ou localizar alguns dos seus efeitos.
[0006] De acordo com alguns aspectos da tecnologia, uma coluna de perfuração compreende uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração, montada em um local no qual o amortecimento de vibração é desejado, a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração compreendendo vários segmentos tubulares feitos de um material de amortecimento de vibração, e outra seção de tubo de perfuração feita de um material diferente com menor capacidade de amortecer a vibração experimentada pela coluna de perfuração durante a perfuração.
[0007] De acordo com outro aspecto, a coluna de perfuração compreende uma broca de perfuração, uma composição de fundo de poço adjacente à broca de perfuração, e uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração, adjacente à composição de fundo de poço oposta à broca de perfuração, a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração compreendendo vários segmentos tubulares feitos de um material de amortecimento de vibração. Outra seção de tubo de perfuração é disposta adjacente à seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração, oposta à composição de fundo de poço e feita de um material diferente, com menor capacidade de amortecer a vibração experimentada pela coluna de perfuração, durante a perfuração.
[0008] As técnicas também proporcionam um método para produzir uma coluna de perfuração, compreendendo: montagem de uma broca de perfuração e de uma composição de fundo de poço; montagem de uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração na medida em que a perfuração avança para um poço; e montagem de outra seção de tubo de perfuração, adjacente à seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração, oposta à composição de fundo de poço, e feita de um material diferente, com menor capacidade de amortecer a vibração experimentada pela coluna de perfuração, na medida em que a perfuração avança ainda mais para o poço.
[0009] Essas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção vão ser mais bem entendidos quando a descrição detalhada, apresentada a seguir, for lida com referência aos desenhos em anexo, nos quais os caracteres similares representam partes similares em todos os desenhos, em que: a Figura 1 é uma representação esquemática de uma operação de perfuração exemplificativa empregando as técnicas atuais; a Figura 2 é uma representação esquemática de uma seção de uma coluna de perfuração, incorporando uma seção de amortecimento de vibração; a Figura 3 é uma representação esquemática de outra coluna de perfuração incorporando mais de uma seção de amortecimento de vibração; a Figura 4 é uma representação esquemática de outra coluna de perfuração incorporando mais de uma seção de amortecimento de vibração em locais desejados; a Figura 5 é uma comparação de perfis de vibração exemplificativos idealizados entre uma coluna de perfuração da técnica anterior e uma incorporando uma seção de amortecimento de vibração; e a Figura 6 é uma representação esquemática de uma coluna de perfuração incorporando múltiplas seções de amortecimento de vibração, juntamente com perfis de vibração idealizados, ao longo da coluna de perfuração.
[0010] Os sistemas e os métodos descritos propiciam uma redução significativa de vibração de colunas de perfuração e, particularmente, de partes das colunas de perfuração de equipamento sensível, tal como BHA. As técnicas podem ser baseadas no uso de materiais de baixo módulo e de baixa densidade em um sistema que possa amortecer vibrações, e que possa ser aplicado a um ambiente de perfuração de óleo e gás com o uso de tubo de perfuração de alumínio, tubo de perfuração de titânio ou tubo de perfuração composto, complementando o tubo de aço convencional. Em algumas concretizações, os materiais que podem ser usados incluem ferro dúctil, que pode proporcionar amortecimento de vibração devido à sua microestrutura. Por exemplo, o baixo módulo e a baixa densidade do alumínio podem reduzir tanto a duração quanto a gravidade das vibrações de torção em uma disfunção do tipo de aderência e escorregamento. A redução em gravidade de oscilações de torção descontroladas vai reduzir a tensão adicional em conexões rosqueadas pela BH e pela coluna de perfuração, bem como no impacto provocado por vibrações laterais, e a amplitude de vibrações axiais. Essa redução total em vibrações pode ter o benefício de aumentar o tempo de vida útil dos componentes de fundo de poço sensíveis (e dos próprios elementos da coluna de perfuração), e aumentar a eficiência das operações de perfuração.
[0011] Voltando agora aos desenhos, e com referência primeiro à Figura 1, um sistema de poço é ilustrado e projetado geralmente pelo número de referência 10. O sistema é ilustrado como uma operação em terra firme, localizada na superfície da terra 12, embora as presentes técnicas não sejam limitadas a essas operações, mas podem ser usadas em aplicações em alto-mar, nas quais o equipamento e os sistemas de perfuração e manutenção descritos vão ser localizados em um navio ou plataforma, e o poço vai ser localizado abaixo de um corpo de água. Na Figura 1, o solo ou terra subjacente é ilustrado abaixo da superfície, de modo que o equipamento de poço 14 seja posicionado próximo ou em um ou mais poços. Um ou mais horizontes subterrâneos 16 são atravessados pelo poço, o que leva, finalmente, a um ou mais horizontes de interesse 18. O poço e o equipamento associado permitem, por exemplo, acesso e extração dos hidrocarbonetos localizados em zonas de interesse, dependendo da finalidade do poço. Em muitas aplicações, os horizontes vão reter hidrocarbonetos, que vão ser basicamente produzidos do poço, tal como óleo e/ou gás. O equipamento de poço pode ser usado para qualquer operação no poço, tais como perfuração, completação, restauro, etc. Em muitas operações, a instalação pode ser localizada temporariamente no local do poço, e componentes adicionais podem ser proporcionados. No entanto, no presente contexto, as colunas tubulares descritas são composição de fundo de poço usadas para acesso a horizontes por corte ou trituração de rocha e de outras formações subterrâneas na medida em que são atravessadas.
[0012] Na ilustração da Figura 1, o equipamento é mostrado muito genericamente, mas aqueles versados na técnica vão entender que, em grande parte, o equipamento é convencional e é encontrado em alguma forma em muitas dessas operações. Por exemplo, uma torre de perfuração 14 permite que várias ferramentas, instrumentos e colunas tubulares sejam montados e baixados no poço, atravessando ambos os horizontes 16 e entrando ou atravessando os horizontes de interesse particulares 18. O equipamento de poço ou de superfície 20 vai incluir, tipicamente, trabalhos de extração, uma mesa rotativa, geradores, instrumentações, etc. Os sistemas de controle e monitoramento 22 propiciam o monitoramento de todos os aspectos de perfuração, completação, restauro ou quaisquer outras operações executadas, bem como condições do poço, tais como pressões, vazões, profundidades, taxas de penetração, etc.
[0013] De acordo com a presente invenção, muitos materiais tubulares (por exemplo, tubo de perfuração) podem ser proporcionados e usados pela operação, e esses podem ser armazenados em quaisquer vias ou outros locais de armazenamento. Na Figura 1, um primeiro desses é indicado como armazenamento tubular 1 24, e o segundo é indicado armazenamento tubular 2 26. Como vão entender aqueles versados na técnica, esses produtos tubulares podem compreender comprimentos de tubo com conectores em cada extremidade, para propiciar que colunas estendidas sejam montadas, tipicamente, por aparafusamento e uns nos outros, ou dois produtos tubulares conectados por meio de um único acoplamento. Diferentes materiais tubulares são usados nesse caso para permitir que a operação equilibre as qualidades técnicas e as possibilidades de desempenho de todos em relação aos seus custos. Isto é, um material pode ser selecionado pela sua resistência mecânica relativa mas a um custo mais baixo (por exemplo, aço), enquanto que o outro é selecionado com base na sua capacidade superior, tais como baixa densidade e baixo módulo, a ser inserido nas partes estendidas do poço para amortecimento de vibração, embora possa ser mais caro do que o primeiro material. Nas concretizações atualmente consideradas, esse segundo material tubular pode compreender ligas de alumínio, por exemplo, mas possivelmente, ligas de titânio, materiais compostos ou ligas de matrizes metálicas. Como discutido abaixo, a operação selecionada criteriosamente que material usar com base na natureza do poço, na posição e na geologia do poço, e no desejo de reduzir vibração durante perfuração.
[0014] Na ilustração da Figura 1, uma coluna de perfuração compreende uma primeira seção geralmente vertical 28, que se estende pelos horizontes superiores 16, e uma seção fora da vertical 30, que se estende por pelo menos uma parte da zona de interesse 18. A seção vertical é formada para acessas o horizonte de acesso e pode se estender a qualquer profundidade desejada, tal como de 2.133,6 a 3.657,6 metros (7.000 a 12.000 pés). A seção fora da vertical pode se estender a qualquer ângulo desejado da seção vertical, que pode ser geralmente perpendicular à seção vertical, embora outros ângulos para essa seção possam ser usados. Na prática, um poço ou um sistema de poço pode acessar vários locais em um ou mais horizontes de interesse por perfuração direcional para criar uma ou mais dessas seções fora da vertical. A coluna de perfuração como um todo 32 é ilustrada como já disposta no poço para promover o poço em várias formações e, por fim, em uma ou mais formações de interesse particular.
[0015] Nessa concretização ilustrada, a coluna de perfuração como um todo 32 se estende a uma seção geralmente vertical 34 do poço e para uma seção geralmente horizontal 36, na medida em que o poço é avançado por ação da broca de perfuração 38. A coluna de perfuração 32 se estende por um comprimento 40 pela seção vertical 34 do poço e por um comprimento 42 da seção fora da vertical 36, finalmente para a broca em avanço 38. A coluna de perfuração compreende uma coluna tubular (por exemplo, um tubo), que é passado no poço durante a perfuração. Essas colunas podem compreender qualquer comprimento adequado de produtos tubulares, e o número, o tamanho e os materiais usados para esses vão depender de vários fatores, mas, tipicamente, a localização do horizonte de interesse (por exemplo, suas profundidade e comprimento da seção fora da vertical, se alguma), a distância a um local de interesse, a profundidade da água, se em alto-mar, etc. Na concretização ilustrada, uma composição de fundo de poço ou BHA 44 é posicionada imediatamente adjacente à broca 38. Um comprimento do tubo de perfuração com amortecimento de vibração 46 é então posicionado adjacente à ou próximo da BHA, para ajudar a reduzir as vibrações na coluna de perfuração.
[0016] A coluna de perfuração 32 vai ser tipicamente montada pelo equipamento de poço, aproximando-se dos materiais tubulares armazenados como discutido acima. Isto é, várias ferramentas (por exemplo, a broca de perfuração, os conectores, a BHA com sua instrumentação associada) são primeiro montadas e colocadas no poço, seguidas pelos comprimentos de tubo de perfuração tirando as várias seções tubulares do armazenamento, encadeando-as de extremidade com extremidade, e dispondo-as progressivamente no poço. Nas concretizações atualmente consideradas, parte da coluna de perfuração é feita de materiais de amortecimento de vibração, tal como, por exemplo, liga de alumínio, ou outro material que permita que a coluna de perfuração atenue os níveis ou efeitos de vibração (por exemplo, liga de titânio, material composto, ligas de matrizes metálicas). As outras seções do tubo de perfuração podem ser feitas de material convencional, tal como aço. Como mencionado acima, os materiais de amortecimento de vibração, adequados para uso nas presentes técnicas, podem incluir ferro dúctil, pelo menos parcialmente devido às capacidades de amortecimento de sua microestrutura. As seções tubulares montadas desse modo podem compreender, por exemplo, múltiplas seções de comprimento padronizado (por exemplo, 9,1 a 12,2 centímetros - 30 a 40 pés), cada uma delas conectores de extremidade industriais padronizados para facilitar a montagem delas. Apenas por meio exemplificativo, ainda que a seção vertical do poço possa se estender de 2.133,6 a 3.657,6 metros (7.000 a 12.000 pés) ou mais verticalmente em direção à terra (notar que a seção "vertical" não precisa ser estritamente vertical, mas pode ser inclinada em pelo menos uma parte do poço), a seção fora da horizontal pode se estender por outros 1.524 a 6096 metros (5.000 a 20.000 pés). Em algumas concretizações, como discutido abaixo, as seções de amortecimento de vibração podem ser colocadas mais próximas da BHA, embora outras seções possam ser colocadas em outros locais na coluna de perfuração.
[0017] As vibrações axiais são tipicamente manifestações de ondas compressivas que se deslocam ao longo do eixo da coluna de perfuração. Também chamadas "quiques de broca", essas vibrações provocam a perda de profundidade da broca de perfuração, reduzindo a eficiência das operações de perfuração. Em casos extremos, a broca de perfuração perde todo o contato com a formação e o recupera a uma alta velocidade. Isso pode provocar dano indesejável à broca.
[0018] As vibrações de torção são algumas vezes referidas como vibrações de "aderência e escorregamento". Essas são variações na velocidade de rotação na coluna de perfuração. Em casos extremos (aderência e escorregamento totais), a broca de perfuração vai parar inteiramente de girar, proporcionando o acúmulo de energia de torção na coluna de perfuração. Essa energia de torção se solta em uma liberação de velocidade angular extremamente alta. Esses acúmulo e liberação da energia de torção provoca ciclos de alta tensão na coluna de perfuração e, em particular, nas conexões rosqueadas. Essas vibrações são mais severas mais próximo da broca de perfuração, que é, tipicamente, onde a maior parte dos componentes sensíveis estão localizados.
[0019] Mais particularmente, torque é aplicado do piso da sonda e transferido pela coluna de perfuração para a broca de perfuração. Essa força de giro, juntamente com o peso da coluna de perfuração, permite que a broca de perfuração corte por formações geológicas subsuperficiais. A broca de perfuração é impregnada com insertos, ou cortadores, endurecidos, que são angulados de modo que quando uma força axial e um movimento de rotação são aplicados, vão cisalhar pequenas seções dos denominados cortes de rocha. Os cortes são tradicionalmente conduzidos na superfície por um fluido espessado chamado "lama da perfuração", que é bombeada da superfície pela coluna de perfuração, e se movimenta de volta para a superfície pelo anel tubular formado entre a parte externa do tubo de perfuração e o poço recém-cortado. Esse processo permite que a coluna de perfuração avance pela formação.
[0020] Quando de perfuração normal, a rotação da broca de perfuração é estável e previsível. Uma disfunção pode ocorrer onde os cortados, momentaneamente, ficam emperrados ou "fincados" em uma seção de rocha. Independentemente de qualquer fincamento ou parada da broca, a sonda de perfuração fica ainda girando a coluna de perfuração na superfície, o que provoca acúmulo da energia de torção na coluna de perfuração. Após um tempo suficiente, a maior energia de torção para a broca de perfuração destrói a rocha que estava emperrada e fica liberada ou "deslizante". A energia de torção acumulada se dissipa pela broca na forma de uma maior velocidade de rotação por um curto período de tempo, até que a energia de torção em excesso seja dissipada. Essa disfunção pode ocorrer repetidamente durante as operações de perfuração. Quando isso acontece, a broca de perfuração e as ferramentas na coluna de perfuração são forçadas a ficarem aceleradas a uma velocidade superior àquela das operações típicas. Essa variação em velocidade de rotação também afeta a quantidade de rocha que é cortada durante cada rotação da broca, retardando, como um todo, as operações. Essas oscilações de torção descontroladas da coluna de perfuração reduzem a eficiência das operações de perfuração e o custo do tempo e das despesas com os operadores. Há vários modos para reduzir essas vibrações, incluindo a pausa momentânea das operações de perfuração, para permitir que as vibrações sejam amortecidas e se dissipem naturalmente.
[0021] As vibrações laterais são provocadas por elementos rotativos da coluna de perfuração, particularmente, elementos com um desequilíbrio de massa, associados com atrito contra a parede do poço. Isso faz com que a coluna de perfuração oscile para cima e para baixo da parede do poço e pode fazer com que a coluna de perfuração rompa o contato com o poço e o recupere a uma alta velocidade. Tipicamente, essas vibrações são categorizada como "redemoinho dianteiro", em que a oscilação da coluna de perfuração no poço é na mesma direção de rotação daquela da coluna de perfuração, e "redemoinho traseiro", em que a oscilação é oposta à rotação da coluna de perfuração. Uma terceira forma, "redemoinho caótico", ocorre quando as oscilações não são em um modelo que se correlaciona com a rotação da coluna de perfuração. Essas vibrações podem provocar dano aos componentes internos sensíveis. O movimento lateral é também provocado por vibrações de torção. Quando a energia de torção é liberada, os elementos da coluna de perfuração sacodem no poço e podem impactar as paredes do poço a uma alta velocidade.
[0022] Em particular, toda a atividade de perfuração provoca o movimento dos componentes tubulares perpendiculares ao eixo da coluna de perfuração. Durante a rotação da coluna de perfuração, atrito é gerado entre a parede do poço e os componentes tubulares em virtude dessa rotação. Esse atrito força o componente tubular a subir em um lado do poço e, conjuntamente com outras forças, incluindo os desequilíbrios de massa em algumas das ferramentas de perfuração, provoca oscilação para cima e para baixo da parede do poço. Em alguns casos, esse movimento pode ficar errático. As vibrações resultantes do "redemoinho" mencionado acima são geralmente referidas como "vibrações laterais", e, em casos extremos, essas vibrações, particularmente, o redemoinho traseiro, provocam o contato da coluna de perfuração com as paredes do poço a uma alta velocidade e a uma aceleração, chamada "impulso", que podem provocar dano ou falha prematura nas ferramentas de perfuração.
[0023] As conexões mecânicas afetadas pela vibração ficam sob fadiga mais rapidamente do que seria esperado sob condições normais. Os componentes eletrônicos ou mecânicos sensíveis, em uma ferramenta de perfuração durante medida (MWD), são especialmente propensos a dano com esse tipo de vibração. Essas vibrações também fazem com que a energia, tencionada para ser transferida para a broca com a finalidade de cortar rochas, seja liberada prematuramente pela coluna de perfuração, reduzindo a velocidade na qual a broca de perfuração corta a rocha.
[0024] Uma vez que esse modelo de vibração tenha sido executado na coluna de perfuração, medidas são frequentemente tomadas para resolvê-lo o mais rápido possível. Essas medidas podem incluir, de novo, completamente, a parada momentânea das operações de perfuração e permitindo que as vibrações sejam amortecidas e diminuídas por conta delas. Essa solução não é a ideal pois reduz a eficiência total das operações. Se um componente sensível quebrar no fundo do poço, o operador é forçado a continuar a perfuração "cega", ou sem as informações que essa ferramenta proporciona, ou fazer uma "manobra", na qual a coluna de perfuração é puxada para a superfície de modo que a ferramenta quebrada possa ser consertada ou substituída. Esses cenários vão igualmente reduzir a qualidade do furo sendo perfurado, além do custo adicional do tempo e das despesas com os operadores.
[0025] Mais genericamente, todas essas vibrações reduzem a eficiência da operação de perfuração. Isto é, idealmente, toda a energia introduzida na coluna de perfuração deve resultar em corte ou remoção das formações subterrâneas e no avanço da coluna de perfuração. As vibrações consomem, basicamente, uma parte dessa energia, reduzindo a eficiência da operação. Qualquer redução na quantidade ou nos efeitos da vibração vão aperfeiçoar essa eficiência de perfuração.
[0026] As técnicas descritas propiciam a redução, o amortecimento, a atenuação ou a diminuição do efeito de algumas ou de todas essas formas de vibração. Em particular, a introdução na coluna de perfuração de um comprimento específico de tubo de perfuração, feito de um material de amortecimento de vibração (por exemplo, alumínio) pode reduzir a grandeza e a duração de ambas as vibrações de torção e laterais. Devido ao baixo módulo e à baixa densidade dessas ligas, o material é capaz de absorver as vibrações, que seriam, de outro modo, transmitidas para outros componentes na coluna de perfuração. Uma quantidade relativamente pequena de tubo de perfuração de alumínio pode bastar em relação ao comprimento de toda a coluna de perfuração. Atualmente, esse comprimento é explicado como estando entre 152,4 e 609,6 metros (500 e 2.000 pés) em uma coluna de perfuração, que pode feita no total entre 3.048 e 9.144 metros (10.000 e 30.000 pés). Em algumas concretizações, o comprimento de uma seção de amortecimento de vibração pode ser reduzido a uma seção (tipicamente, três juntas de 12,2 centímetros - 40 pés, ou 36,6 metros - 120 pés). A introdução do tubo de perfuração de alumínio vai reduzir os retardos nas operações de perfuração e evitar o dano feito nos componentes sensíveis, aumentando significativamente a eficiência das operações de perfuração.
[0027] A Figura 2 ilustra uma seção de uma coluna de perfuração montada para reduzir vibração. Nessa ilustração, a broca de perfuração 38 é mostrada adjacente à BHA 44. A seção ou parte da coluna de perfuração com amortecimento de vibração 46 é mostrada como compreendendo 3 segmentos de tubo 48, com conexões atarraxadas 50 entre eles e nas extremidades da seção. Na extremidade superior 46 começa uma seção de tubo de perfuração convencional 52. A seção de amortecimento de vibração se estende por um comprimento desejado 54, selecionado para proporcionar o amortecimento de vibração desejado. Os comprimentos atualmente considerados 54 podem ser entre 27,4 e 609,6 centímetros (90 e 2.000 pés) em comprimento, e podem ser constituídos de segmentos tubulares de 9,1 a 12,2 centímetros (30 ou 40 pés) (comprimentos padronizados). Por comparação, a BHA pode ser algo em torno de 30,5 - 91,4 metros (100 - 300 pés) de comprimento, enquanto que a coluna de perfuração como um todo vai ter, tipicamente, muitos milhares de pés ou metros de comprimento.
[0028] Em algumas concretizações e ambientes, pode ser útil proporcionar mais de uma seção de amortecimento de vibração. A Figura 3 ilustra uma coluna de perfuração. Nesse caso, uma primeira seção de amortecimento de vibração 46 é novo proporcionada próxima da BHA 44, com uma seção de tubo de perfuração convencional 52 conectada acima dela. Depois, acima dessa seção, outro comprimento de tubo de amortecimento de vibração 46' é proporcionado, seguida por outra seção de tubo de perfuração convencional 52'. Outras seções de tubo de amortecimento de vibração também podem ser proporcionadas adicionalmente ao longo da coluna de perfuração. Também, deve-se notar que as seções de amortecimento de vibração podem ser colocadas em qualquer lugar ao longo da coluna, com várias dessas seções sendo separadas por produtos tubulares convencionais. Em algumas concretizações, pode ser útil colocar as seções de amortecimento de vibração a cada 609,6 metros (2.000 pés) ou mais. Essa colocação pode depender de fatores tais como tamanho do produto tubular, das cargas encontradas, das condições do poço, etc.
[0029] Em alguns perfis e trajetórias de poços genéricos e de petróleo, essas seções de amortecimento de vibração podem ser localizadas criteriosamente para proporcionar o amortecimento desejado em regiões nas quais essa vibração é prevista como sendo particularmente preocupante. A Figura 4 ilustra uma aplicação na qual um poço tem seções vertical e fora da vertical 34 e 36, como discutido acima, com uma seção de ponta 56 fazendo uma transição entre as duas. Uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração 46 é, nesse caso, de novo posicionada adjacente à BHA. Mas, para ajudar a reduzir a vibração prevista acima da seção de ponta 56 do poço, a coluna de perfuração tem outra seção de amortecimento de vibração 46', que pode ser incorporada na coluna de perfuração em um local no qual vai ser disposta na, em torno da ou acima da seção de ponta.
[0030] Acredita-se que a presença das seções de tubos de perfuração com amortecimento de vibração, mesmo em seções relativamente curtas comparadas com a coluna de perfuração como um todo, pode afetar significativamente, a vibração experimentada pela coluna de perfuração, e, particularmente, por aqueles componentes próximos das seções de amortecimento de vibração, tal como a BHA e/ou a broca de perfuração. A Figura 5 é uma representação gráfica 58 de efeitos previstos em vibração nesses locais. Nessa ilustração, a grandeza da vibração 60 é mostrada por um eixo vertical em relação ao tempo ao longo de um eixo horizontal 62. A série de pequenos traços 64 representa um perfil de vibração de uma coluna de perfuração convencional em um local da BHA ou da broca de perfuração. Os picos significativos 66 podem ser previstos a uma frequência correspondente à dinâmica da extremidade do tubo de perfuração, durante a perfuração. Um perfil de vibração de uma coluna de perfuração, tendo pelo menos uma seção de amortecimento de vibração adjacente a esse local, é representado pelo traço sólido tendo picos reduzidos significativamente, e, por fim, chegando a uma região dinâmica de maior frequência, menor pico e menor variabilidade 70.
[0031] As atenuações similares são previstas para as colunas de perfuração tendo mais de uma seção de amortecimento de vibração, como ilustrado na Figura 6. Nesse caso, uma coluna de perfuração similar àquela da Figura 3 é mostrada com os gráficos de comparação de perfis de vibração 72 e 74 em locais adjacentes às seções de amortecimento de vibração.
[0032] As propriedades materiais acreditadas como sendo de interesse particular na redução de vibração incluem o módulo de elasticidade, a densidade e as características de amortecimento. Em relação ao módulo de elasticidade, os aços convencionais, usados para componentes tubulares de poço, têm um módulo tipicamente da ordem de 203,4 MkPa (29,5 Mpsi), com faixas típicas de 186,2 a 213,7 MkPa (27 a 31 MPsi). Os componentes tubulares de liga de alumínio, adequados para as presentes técnicas, têm um módulo tipicamente da ordem de 68,9 MkPa (10 MPsi), com faixas típicas de 62,0 a 79,3 MkPa (9 a 11,5 Mpsi). Os componentes tubulares de titânio considerados para as presentes técnicas, por outro lado, têm um módulo tipicamente da ordem de 113,9 milhões de quilopascais (16,5 milhões de psi), com faixas típicas de 93,1 a 117,2 MkPa (13,5 a 17 MPsi). Os compósitos adequados podem ser produzidos para ter um módulo muito baixo, tal como da ordem de 34,5 MkPa (5 Mpsi), se necessário. Com relação à densidade relativa desses materiais, o aço típico tem uma densidade de 7,9 gramas por centímetro cúbico (0,285 libra por polegada cúbica), o alumínio tem uma densidade típica de 2,8 gramas por centímetro cúbico (0,101 lb/in3), o titânio tem uma densidade típica de 4,6 gramas por centímetro cúbico (0,165 lb/in3), e os compósitos têm densidades variando de menos de 2,8 gramas por centímetro cúbico a mais de 7,9 gramas por centímetro cúbico (menos de 0,101 lb/in3 a mais de 0,285 lb/in3).
[0033] Outras propriedades também podem ser de interesse, incluindo as propriedades relacionadas com a capacidade ou tendência para esses materiais converterem movimento de vibração em calor, desse modo desperdiçando ou dissipando energia, que poderia, de outro modo, ser usada para avançar o poço. Por exemplo, o atrito interno e a capacidade de amortecimento do material podem ser considerados na seleção.
[0034] Em relação aos materiais específicos que podem ser usados, os componentes tubulares atualmente considerados podem ser selecionados de componentes tubulares de alumínio, por exemplo, de ligas das séries 2000, 6000 e 7000, enquanto que os componentes tubulares de titânio podem ser selecionados das famílias de ligas denominadas Alfa, Alfa-Beta e Beta. Os compósitos adequados podem incluir composições de fibras de carbono ou ligas de matrizes metálicas. Como mencionado acima, os produtos de ferro dúctil também podem ser empregados proveitosamente.
[0035] Na prática, vários métodos podem ser empregados para conduzir a abordagem de amortecimento de vibração de colunas de perfuração discutida acima. Em geral, a ou as ferramentas, que precedem a seção de amortecimento de vibração, vão ser montadas no local do poço, e a perfuração iniciada. A seção de amortecimento de vibração vai ser depois montada ao longo de um comprimento desejado, tal como adjacente à BHA. Na medida em que a perfuração avança, o comprimento desejado do tubo de perfuração com amortecimento de vibração é basicamente atingido por fixação de comprimentos sucessivos de componentes tubulares, seguida por fixação de um tubo de perfuração convencional (por exemplo, de aço). Depois, em outros locais desejados, um ou mais comprimentos adicionais de tubo com amortecimento de vibração podem ser inseridos. Na maior parte dos casos, o comprimento do tubo de perfuração com amortecimento de vibração pode ser estimado ou calculado de antemão, com base nas condições previstas do poço. Em alguns casos, as seções adicionais podem ser inseridas com base nas vibrações efetivamente experimentadas durante a perfuração. Em mais outras situações, a coluna de perfuração pode ser removida inteira ou parcialmente ("eliminada"), e uma ou mais seções de amortecimento de vibração podem ser adicionadas devido à vibração experimentada ou prevista. [0036] Ainda que apenas algumas das características da invenção tenham sido ilustradas e descritas no presente relatório descritivo, muitas modificações e mudanças vão ocorrer àqueles versados na técnica. Deve-se, portanto, entender que as concretizações em anexo são tencionadas para cobrir todas essas modificações e mudanças como se encaixando dentro do verdadeiro espírito da invenção.
Claims (20)
1. Coluna de perfuração (32) para uso em um sistema de perfuração de poço (10) que compreende uma sonda que, em operação, impele a coluna de perfuração (32) em rotação em um poço a partir de uma localização acima do poço, a coluna de perfuração (32) caracterizada pelo fato de que compreende: uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) compreendendo tubo de perfuração montada para ser implantada em um local no qual o amortecimento de vibração é desejado, a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) compreendendo uma pluralidade de segmentos tubulares feitos de um material de amortecimento de vibração; uma outra seção de tubo de perfuração (52, 52’) montada à seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) e feita de um material diferente com menor capacidade de amortecer a vibração experimentada pela coluna de perfuração (32) durante rotação da coluna de perfuração (32) pelo sistema de sonda; em que a coluna de perfuração (32) é avançada no poço somente por rotação da coluna de perfuração (32) por torque aplicado ao sistema de sonda de perfuração a partir da localização acima do poço.
2. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material de amortecimento de vibração compreende uma liga de alumínio.
3. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) é disposta adjacente a uma composição de fundo de poço (44).
4. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) é disposta imediatamente adjacente à composição de fundo de poço (44).
5. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material de amortecimento de vibração compreende uma liga de titânio ou um material composto.
6. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento entre 27,43 metros (90 pés) e 457,2metros (1.500 pés).
7. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento inferior a 152,4 metros (500 pés).
8. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento inferior a 30,48 metros (100 pés).
9. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento inferior a 20% do comprimento total da coluna de perfuração (32).
10. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende várias seções de tubos de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) feitas de material de amortecimento de vibração alternadas com seções de tubos de perfuração feitas de um diferente material menos capaz de amortecer a vibração experimentada pela coluna de perfuração (32) durante a perfuração.
11. Coluna de perfuração (32) para uso em um sistema de perfuração de poço (10) que compreende uma sonda que, em operação, impele a coluna de perfuração (32) em rotação em um poço a partir de uma localização acima do poço, a coluna de perfuração (32) caracterizada pelo fato de que compreende: uma broca de perfuração (38); uma composição de fundo de poço (44) adjacente à broca de perfuração (38); uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) compreendendo tubo de perfuração adjacente à composição de fundo de poço (44) oposta à broca de perfuração (38), a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) compreendendo uma pluralidade de segmentos tubulares feitos de um material de amortecimento de vibração; e uma outra seção de tubo de perfuração (52, 52’) adjacente à seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) e feita de um material diferente com menor capacidade de amortecer vibração experimentada pela coluna de perfuração (32) durante rotação da coluna de perfuração (32) pelo sistema de sonda; em que a coluna de perfuração (32) é avançada no poço somente por rotação da coluna de perfuração (32) por torque aplicado ao sistema de sonda de perfuração a partir da localização acima do poço.
12. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o material de amortecimento de vibração compreende uma liga de alumínio.
13. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento entre 27,43 metros (90 pés) e 457,2 metros (1.500 pés).
14. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento inferior a 152,4 metros (500 pés).
15. Coluna de perfuração (32), de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento inferior a 30,48 metros (100 pés).
16. Método para produzir uma coluna de perfuração (32), caracterizado pelo fato de que compreende: montagem de uma broca de perfuração (38) e de uma composição de fundo de poço (44); montagem de uma seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) compreendendo tubo de perfuração feito de um material de amortecimento de vibração; e montagem de outra seção de tubo de perfuração (52, 52’) adjacente à seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) e feita de um material diferente com menor capacidade de amortecer a vibração experimentada pela coluna de perfuração (32) à medida que a perfuração avança mais para dentro de um poço; e avançar a coluna de perfuração (32) no poço somente por rotação da coluna de perfuração (32) por torque aplicado ao sistema de perfuração de poço (10) a partir de uma localização acima do poço.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende a montagem de outra seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) acima de outra seção de tubo de perfuração (52, 52’) à medida que a perfuração avança ainda mais para dentro do poço.
18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o material de amortecimento de vibração compreende uma liga de alumínio.
19. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento entre 27,43 metros (90 pés) e 457,2 metros (1.500 pés).
20. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a seção de tubo de perfuração com amortecimento de vibração (46, 46’) tem um comprimento inferior a 152,4 metros (500 pés).
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