BR112020013527B1 - Aparelho e método para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração, e, sistema de perfuração - Google Patents

Abstract

Trata-se de um aparelho e método para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração. O aparelho (30) compreende: um primeiro sensor (302) configurado para detectar uma propriedade de uma formação de subsuperfície (200); uma fonte de radiação (304) configurada para, quando acionada, emitir radiação para excitar uma parte (220) da formação; uma unidade de processamento (308) configurada para acionar a fonte de radiação se for detectada uma alteração da propriedade da formação; um segundo sensor (306) posicionado a uma distância conhecida da fonte de radiação e operacionalmente conectado à unidade de processamento, o segundo sensor é configurado para detectar a dita parte excitada da formação e está mais distante de uma broca de perfuração (104) do sistema de perfuração do que a fonte de radiação; a unidade de processamento é ainda configurada para, depois que a parte excitada da formação for detectada, calcular uma taxa de penetração da broca de perfuração com base no seguinte: uma duração de tempo entre a fonte de radiação ser acionada e a parte excitada da formação ser detectada, e a distância entre a fonte de radiação e o segundo sensor.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um aparelho e método para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração.

ANTECEDENTES

[002] Os furos de poço (também chamados de furos) são normalmente perfurados com uma coluna de perfuração que inclui um membro tubular com uma composição de fundo ("BHA"). A BHA tem uma broca de perfuração anexada à sua extremidade inferior. A broca de perfuração é girada para desintegrar as formações de subsuperfície para perfurar o furo de poço. A BHA inclui tipicamente dispositivos para fornecer parâmetros relacionados ao comportamento da BHA, parâmetros da formação ao redor do furo de poço e parâmetros relacionados às operações de perfuração.

[003] A taxa de penetração (ROP) da broca de perfuração depende de vários fatores, incluindo o design da broca, velocidade de rotação (ou rotações por minuto ou RPM) da broca de perfuração, peso sobre broca, tipo de fluido de perfuração que circula através do furo de poço e do tipo de rocha da formação. Uma ROP alta é geralmente desejável porque reduz o tempo total necessário para perfurar um furo de poço. Uma ROP baixa, no entanto, normalmente poderia prolongar a vida útil da broca de perfuração e da BHA.

[004] Para permitir a automação completa da perfuração e um melhor controle da trajetória do furo do poço, é desejável desenvolver a capacidade de se determinar a ROP diretamente no fundo do poço.

[005] O documento US 2016/0327680 A1 divulga um sistema e método para fazer medições de fundo de poço usando uma fonte de nêutrons para criar um marcador em uma formação subterrânea, um detector de radiação nuclear para detectar radiação gama e/ou outra radiação nuclear emitida pelo marcador e uma unidade de monitoramento de progresso de perfuração de fundo de poço que gera informações em tempo real sobre profundidade incremental e/ou ROP associada de um conjunto de perfuração automatizado ou outro conjunto de perfuração com base na detecção de radiação nuclear e em uma distância axial L entre a fonte de nêutrons e o detector de radiação nuclear sem exigir a transmissão dos dados de profundidade incremental em tempo real e/ou de ROP para o equipamento de superfície por meio de um complexo sistema de transmissão de dados com ou sem fio.

[006] De acordo com o sistema e o método descrito no documento US 2016/0327680 A1, a fonte de nêutrons e dois sensores gama precisam ser colocados próximos à broca de perfuração, para detectar rapidamente alterações na formação. No entanto, uma BHA geralmente possui apenas um espaço muito limitado, especialmente nas proximidades da broca de perfuração. Portanto, os operadores podem não ser capazes de colocar a fonte de nêutrons e os sensores próximos o suficiente da broca de perfuração, o que leva a um atraso na detecção das alterações na formação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[007] Em um aspecto da invenção, é fornecido um aparelho para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração, em que o aparelho compreende: um primeiro sensor configurado para detectar uma propriedade de uma formação de subsuperfície; uma fonte de radiação configurada para, quando acionada, emitir radiação para excitar uma parte da formação; uma unidade de processamento conectada operacionalmente ao primeiro sensor e à fonte de radiação, a unidade de processamento é configurada para acionar a fonte de radiação se uma alteração da propriedade da formação for detectada; um segundo sensor posicionado a uma distância conhecida da fonte de radiação e operacionalmente conectado à unidade de processamento, o segundo sensor é configurado para detectar a dita parte excitada da formação e fica mais distante de uma broca de perfuração do sistema de perfuração do que a fonte de radiação; a unidade de processamento é ainda configurada para, depois que a parte excitada da formação for detectada, calcular uma taxa de penetração da broca de perfuração com base no seguinte: uma duração de tempo entre a fonte de radiação ser acionada e a parte excitada da formação ser detectada e a distância entre a fonte de radiação e o segundo sensor.

[008] Também é fornecido um sistema de perfuração que compreende o aparelho acima mencionado.

[009] Em outro aspecto da invenção, é fornecido um método para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração, que compreende as seguintes etapas: detectar uma propriedade de uma formação de subsuperfície; determinar se uma alteração da propriedade da formação é detectada; se uma alteração da propriedade da formação for detectada, acionar uma fonte de radiação para emitir radiação para excitar uma parte da formação; detectar a dita parte excitada da formação com um sensor que está posicionado a uma distância conhecida da fonte de radiação e está mais distante de uma broca de perfuração do sistema de perfuração do que a fonte de radiação; calcular uma taxa de penetração da broca de perfuração, após a detecção da etiqueta de radiação, com base no seguinte: uma duração de tempo entre a fonte de radiação ser acionada e a parte excitada da formação ser detectada e a distância entre a fonte de radiação e o sensor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] A invenção será descrita abaixo com mais detalhes e a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos nos quais:

[0011] A Figura 1 ilustra uma vista lateral em corte transversal de um furo mostrando um sistema de perfuração avançando em uma formação.

[0012] As Figuras 2A a 2C são vistas em planta que ilustram o aparelho para medição de fundo de poço em diferentes momentos no tempo durante a operação do sistema de perfuração.

[0013] A Figura 3 mostra um diagrama de blocos esquemático de uma fonte de radiação.

[0014] A Figura 4 mostra um fluxograma exemplificativo de um método para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração.

[0015] A Figura 5 ilustra o perfil de raios gama obtido durante a medição em campo.

[0016] A Figura 6 ilustra uma curva CUSUM desse perfil de raios gama na Figura 5.

[0017] Nos desenhos, sinais de referência semelhantes se referem a componentes, etapas ou recursos similares/equivalentes.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[0018] Os furos de poço para a produção de água, óleo ou gás a partir de uma formação de subsuperfície são geralmente perfurados com o uso de uma coluna de perfuração. A coluna de perfuração normalmente compreende uma série de seções de dutos de perfuração interconectadas. Uma extremidade de fundo de poço da coluna de perfuração inclui uma BHA com seções de comando mais pesado para fornecer peso à broca, equipamento de medição durante a perfuração (MWD) e uma broca de perfuração na extremidade do fundo de poço da mesma para quebrar a formação. Uma sonda de perfuração na superfície para segurar a coluna de perfuração é fornecida com um sistema de acionamento para girar a coluna de perfuração, tipicamente incluindo uma unidade de topo ou outra mesa rotativa.

[0019] A Figura 1 ilustra uma vista lateral em corte transversal de um furo de poço mostrando um sistema de perfuração. O sistema de perfuração 1 pode ser um sistema de perfuração direcional usando sistema orientável rotativo (RSS), adequado para poços verticais e não verticais. Uma pessoa versada na técnica apreciaria que o aparelho e o método de acordo com a invenção possam ser utilizados independentemente do tipo de sistema de perfuração utilizado, ou se o furo de poço a ser perfurado é vertical ou não vertical.

[0020] O sistema 1 inclui uma coluna de perfuração 10. A coluna de perfuração 10 inclui uma BHA 102 que tem uma broca de perfuração 104. Outros elementos/partes que são menos relevantes neste contexto e, portanto, omitidos no desenho por concisão.

[0021] Durante a operação do sistema de perfuração 1, a coluna de perfuração 10 avança na formação de subsuperfície 200 à medida que a broca de perfuração 104 gira, formando assim um furo de poço 210 para a produção de água, hidrocarboneto ou qualquer outro recurso a partir de uma ou mais camadas da formação.

[0022] A Figura 1 mostra quatro camadas de formação 212, 214, 216 e 218. Nesse momento mostrado na Figura 1, a broca de perfuração 104 está na camada 216 e está perfurando em direção a uma camada mais profunda 218. Certas propriedades da formação, como radiação (por exemplo, raios gama), velocidade do som, densidade da formação, podem variar de uma camada para outra e às vezes até dentro de uma camada de formação. Essas propriedades (doravante também denominadas propriedades de formação) estão associadas a tipos de rochas que influenciam diretamente a ROP.

[0023] O sistema de perfuração 10 é fornecido com um aparelho para medição de fundo de poço. O aparelho monitora alterações de pelo menos uma dessas propriedades e deriva/calcula uma nova ROP quando a dita alteração é detectada. O aparelho será descrito em detalhes com referência às Figuras 2A, 2B e 2C.

[0024] A Figura 2A a 2C ilustra vistas em planta de uma composição de fundo operando em uma formação de subsuperfície em diferentes momentos no tempo. O aparelho 30 inclui um primeiro sensor 302, uma fonte de radiação 304, uma segunda unidade 306 e uma unidade de processamento 308. Alguns desses elementos são operacionalmente interconectados para transmissão de dados/sinal, se necessário, como será descrito mais adiante. A maneira como esses elementos estão conectados pode ser selecionada de acordo com a condição de trabalho no furo de poço e as conexões podem ser com ou sem fio. Como será descrito adicionalmente, em um exemplo alternativo, a unidade de processamento 308 pode ser implementada por dois processadores separados e mais simples, o primeiro processador está configurado para receber medição do primeiro sensor 302, determinar se uma alteração da propriedade é detectada e gerar um sinal de disparo para, por exemplo, a fonte de radiação 304, o segundo processador está configurado para calcular a ROP.

[0025] O primeiro sensor 302 está configurado para detectar uma propriedade da formação. A propriedade que está sendo detectada/monitorada pode ser uma das seguintes: radiação, densidade de formação ou velocidade do som. O primeiro sensor 302 pode, portanto, ser implementado por um sensor de radiação (por exemplo, raios gama), um sensor de densidade de formação ou um sensor de velocidade do som. Essas propriedades são adequadas porque estão associadas a tipos de rochas que influenciam diretamente a ROP. Ou seja, quando essa propriedade muda, significa que o tipo de rocha em que a broca de perfuração está perfurando mudou, então, uma nova ROP precisa ser calculada.

[0026] O peso na broca (WOB) e a rotação por minuto (RPM) da broca de perfuração 104 podem ser levados em consideração para se decidir se o primeiro sensor 302 deve realizar a detecção. Por exemplo, quando o WOB é baixo o suficiente, por exemplo, próximo a zero, e/ou a RPM é baixa o suficiente, por exemplo, próxima a zero, a broca de perfuração 104 não está avançando na formação, o que significa que a propriedade da rocha não será alterada. Portanto, o primeiro sensor 302 não precisa detectar a propriedade de formação, a menos que o WOB e a RPM da broca de perfuração 104 aumentem, caso contrário, o primeiro sensor 302 gerará continuamente sinais/dados inúteis para a unidade de processamento 308 que possui uma capacidade de processamento relativamente baixa.

[0027] Para se detectar rapidamente uma mudança na propriedade de formação enquanto a broca de perfuração avança, o primeiro sensor 302 é preferencialmente colocado próximo à broca de perfuração 104. Alguns sistemas de perfuração existentes possuem um sensor de raios gama na BHA. O aparelho 30 pode usar esse sensor de raios gama como o primeiro sensor 302 para tirar proveito de uma capacidade já existente. Sem perda de generalidade, na descrição a seguir, o primeiro sensor é descrito como um sensor de raios gama que detecta raios gama, por exemplo, a força dos raios gama na formação como propriedade da formação, e um sinal de disparo será fornecido à fonte de radiação (e ao segundo sensor) se for detectada uma alteração na radiação de raios gama.

[0028] Um sinal indicando os raios gama detectados é enviado do primeiro sensor 302 para a unidade de processamento 308.

[0029] A unidade de processamento 308 é configurada para processar o sinal do primeiro sensor 302, a fim de se determinar se uma mudança de raios gama é detectada.

[0030] Diferentes camadas de formação geralmente têm diferentes tipos de rochas e, portanto, têm diferentes emissões de raios gama. O tipo de rocha dentro de uma camada de formação também pode variar, resultando em possíveis alterações nos raios gama, como flutuações.

[0031] A unidade de processamento 308 pode usar um algoritmo programável para determinar se uma mudança de raios gama é detectada. Os operadores podem definir a sensibilidade deste algoritmo para controlar a sensibilidade do aparelho 30 às alterações de raios gama. Ao definir uma sensibilidade mais alta, é possível fazer o aparelho 30 responder a mudanças menores de raios gama, como flutuações dentro de uma camada de formação. Nesse caso, a fonte de radiação 304, o segundo sensor 306 pode ser acionado com mais frequência, gerando mais dados para o cálculo de ROP. A implementação da unidade de processamento 308 por dois processadores separados pode ser útil porque um dos processadores pode ser usado principalmente para o cálculo de ROP, enquanto o outro processa principalmente sinais de detecção de raios gama do primeiro sensor 302, a capacidade de processamento de cada processador pode ser relativamente limitada devido a restrições de fundo de poço, mas ainda é suficiente porque a carga de processamento está sendo compartilhada.

[0032] No momento no tempo T0 mostrado na Figura 2A, o primeiro sensor 302 é na camada de formação 216, e a detecção de raios gama naquela camada de formação.

[0033] A broca de perfuração 104 avança mais na formação, e, em um momento posterior T1, como mostrado na Figura 2B, o primeiro sensor 302 atinge a camada de formação 218 que apresenta uma emissão de raios gama consideravelmente diferente em comparação com a camada de formação 216, e uma mudança de raios gama será detectada.

[0034] Como mencionado, a unidade de processamento 308 aciona a fonte de radiação quando uma mudança de raios gama é detectada. Portanto, um sinal de disparo será fornecido à fonte de radiação 304 no T1, a fonte de radiação 304, por sua vez, emite radiação para excitar uma parte 220 da formação, cuja parte animada pode ser detectada mais tarde pelo segundo sensor 306 que segue a fonte de radiação 304. A parte 220 é tipicamente a parte da formação em torno da fonte de radiação 304 quando a fonte de radiação 304 é acionada. A fonte de radiação 304 pode ser uma fonte de nêutrons que libera um feixe de nêutrons quando acionado. Os nêutrons atingem a parte 220 da formação e estimulam as transições eletrônicas nos átomos que formam as rochas nessa parte 220. Após o relaxamento, a radiação gama é emitida pelos átomos na parte 220 que foram excitados pelos nêutrons da fonte de radiação 304. O segundo sensor 306 é, neste exemplo, configurado para detectar a parte excitada 220 da formação detectando a dita radiação gama emitida pelos átomos excitados na parte 220.

[0035] Alternativamente, o segundo sensor 306 pode ser configurado como um sensor de nêutrons. Considerando que o tempo de voo dos nêutrons é maior que o dos raios gama, os nêutrons liberados da fonte 304 para a parte 220 ainda podem ser detectáveis quando o segundo sensor 306 se aproxima da parte 220. Detectar os nêutrons é, portanto, uma maneira alternativa de se detectar a parte excitada 220.

[0036] De preferência, a fonte de radiação 304 está mais distante da broca de perfuração 104 do que o primeiro sensor 302.

[0037] A emissão de radiação da fonte de radiação 304 pode durar apenas um período muito curto de tempo. Após a emissão, a fonte de radiação é "desligada" novamente e será acionada novamente quando o primeiro sensor 302 detectar outra mudança de raios gama. Para operar a fonte de radiação 304 com base no gatilho, como mostrado na Figura 3, propõe-se proteger a fonte de radiação 304 do primeiro e do segundo sensores, por uma blindagem 3042 com uma janela deslizante 3044. Quando a fonte de radiação 304 é acionada, a janela deslizante 3044 se abre por um curto período de tempo para expor a parte 220 da formação à radiação. Após a emissão de radiação, a janela 3044 fecha, assim “desligando" a fonte de radiação 304. A fonte de radiação 304 pode ser projetada de uma maneira diferente, conforme considerado adequado, de acordo com suas aplicações. A duração durante a qual a janela deslizante é mantida aberta pode ser predefinida e ajustável, dependendo do tipo de camada de formação, se necessário.

[0038] A broca de perfuração 104 continua a perfurar para baixo depois de T1 e, portanto, o segundo sensor 306 se aproxima mais e mais da parte 220. Finalmente, no momento no tempo T2, como mostrado na Figura 2C, o segundo sensor 306 se aproxima o suficiente da parte 220 e recebe a radiação da parte 220. Observe que o sinal de raios gama detectado pelo segundo sensor 306 pode ter dois componentes: a etiqueta de raios gama plantada pela fonte de radiação e a radiação de raios gama de segundo plano da camada de formação. O sinal proveniente do segundo sensor 306 pode ser enviado à unidade de processamento 308, onde o componente de raios gama de segundo plano pode ser removido usando-se, por exemplo a medição de raios gama proveniente do primeiro sensor 302 em T1.

[0039] O segundo sensor 306 está posicionado a uma distância conhecida L da fonte de radiação 304, ao longo da direção axial da coluna de perfuração, e está operacionalmente conectado à unidade de processamento 308. O segundo sensor 306 está mais distante da broca de perfuração 104 do que a fonte de radiação, a fim de detectar a parte 220 da formação que foi excitada pela fonte de radiação 304. De preferência, o segundo sensor 306 pode ser acionado para executar a detecção quando uma mudança de raios gama é detectada pelo primeiro sensor 302. O tipo do segundo sensor 306 deve ser selecionado de acordo com o tipo da fonte de radiação, a fim de detectar a parte excitada 220. No caso de a fonte de radiação 304 ser uma fonte de nêutrons configurada para emitir nêutrons, o segundo sensor 306 pode ser implementado por, por exemplo, um sensor de raios gama. A distância L deve ser selecionada levando-se em consideração a vida útil da radiação da parte excitada 220, a fim de se capturar oportunamente a radiação antes que ela desapareça e se torne indetectável.

[0040] A unidade de processamento 308 está ainda configurado para, após a parte excitada 220 da formação ser detectada pelo segundo sensor 306, calcular uma ROP da broca de perfuração 104 com base no seguinte: uma duração de tempo T entre o momento no tempo T1, quando o fonte de radiação 304 é acionada e o momento no tempo T2, quando a parte excitada de formação é detectada, e a distância L entre a fonte de radiação 304 e o segundo sensor 306, tal como definido na Equação (1): ROP = L/T (1)

[0041] A unidade de processamento 308 pode ser configurada para usar uma ROP mais recente calculada até que a fonte de radiação 304 seja acionada novamente e uma nova ROP seja calculada.

[0042] A unidade de processamento 308 pode ainda calcular uma profundidade da broca de perfuração 104, integrando a ROP calculada ao longo do tempo. Uma ROP mais recente pode ser usada para o cálculo da profundidade até que uma nova ROP seja obtida.

[0043] Quando uma unidade de processamento 308 é usada, ela pode ser posicionada entre a fonte de radiação 304 e o segundo sensor 306 ou em outro local, conforme necessário.

[0044] Como mencionado anteriormente, a unidade de processamento 308 pode ser implementada por dois processadores separados, o cálculo de ROP e o cálculo de profundidade podem ser realizados em um desses processadores, deixando o outro processador principalmente responsável por processar sinais do primeiro sensor 302 e determinar se uma mudança de raios gama é detectada. Ao separar a unidade de processamento em dois processadores, torna-se possível fornecer a fonte de radiação 304, o segundo sensor 306 e o processador como um conjunto, se necessário na prática. Em um exemplo, todo o conjunto pode ser ativado quando uma mudança de raios gama é detectada e, do contrário, permanecer inativo.

[0045] O uso do primeiro sensor 302 próximo à broca de perfuração 104 para detectar alterações na propriedade da formação e acionar a fonte de radiação 304 quando uma alteração na propriedade da formação é detectada tem os seguintes benefícios: (1) O aparelho e o método da invenção permitem determinar a ROP no fundo do poço em tempo real. Isso permite o controle de malha fechada em tempo real do conjunto de perfuração e torna o conjunto de perfuração totalmente autônomo.

[0046] (2) O cálculo da ROP e da profundidade da broca de perfuração se torna mais preciso, o que, por sua vez, permite maior precisão no controle da trajetória do furo do poço e no posicionamento do poço.

[0047] (3) O primeiro sensor colocado perto da broca de perfuração permite a detecção rápida de alterações na propriedade da formação e o monitoramento contínuo da propriedade durante a perfuração.

[0048] (4) A fonte de radiação, o segundo sensor (e um processador separado para o cálculo de ROP) podem ser colocados em qualquer lugar ao longo da coluna de perfuração, preferivelmente atrás do primeiro sensor, porque a fonte de radiação precisa ser acionada por alterações detectadas com o primeiro sensor. Em outras palavras, a fonte de radiação e o segundo sensor não precisam estar próximos da broca de perfuração ou estar acomodados na BHA. Isso significa que o aparelho é adequado para aquelas BHAs com espaço muito limitado na proximidade da broca de perfuração. Isso também significa que a fonte de radiação e o sensor podem ser mantidos longe de condições adversas perto da broca de perfuração, o que pode prolongar a vida útil da fonte de radiação e do segundo sensor.

[0049] (5) Alguns sistemas de perfuração existentes têm um sensor de raios gama no pacote de sensores, colocado próximo à BHA. O aparelho pode usar esse sensor de raios gama como o primeiro sensor a tirar proveito de uma capacidade já existente. O aparelho pode ser implementado instalando-se um acessório do segundo sensor, a fonte de radiação e um processador em uma coluna de perfuração existente. O processador pode ainda ser conectado ao primeiro sensor, se não houver processador disponível para processar a medição de raios gama proveniente do primeiro sensor.

[0050] (6) Devido a várias restrições, a capacidade de processamento de sinal/dados no fundo do poço é limitada. O acessório da fonte de radiação e o segundo sensor geram novos dados a ser processados quando uma mudança na propriedade de formação é detectada, a quantidade de dados é adequada para o processamento de fundo de poço.

[0051] (7) Diferente do documento n° US 2016/0327680 A1, o aparelho e o método da presente invenção não usam correlações de sinal e atrasos de tempo entre os sinais dos sensores para determinar a ROP, mas, em vez disso, a duração do tempo entre uma etiqueta radioativa é plantada na formação por uma fonte de radiação e a etiqueta é captada por um sensor atrás da fonte.

[0052] A seguir, serão descritos algoritmos usados para determinar se uma alteração na propriedade de formação é detectada pelo primeiro sensor. Isso está relacionado principalmente a um processador/unidade de processamento que recebe sinais de detecção de raios gama do primeiro sensor e determina se uma alteração na emissão de raios gama é detectada.

[0053] “Bayesian Online Changepoint Detection”, de Ryan Prescott Adams e David J.C. MacKay (eprint arXiv: 0710.3742, 19 de outubro de 2007) descreve um método para a detecção de pontos de mudança que é altamente modular e o algoritmo pode ser aplicado a vários tipos de dados. Este e alguns outros métodos podem, em princípio, ser usados com a finalidade de se processar o sinal do primeiro sensor e determinar se uma alteração na propriedade de formação é detectada; no entanto, esses métodos precisam de muitos dados de treinamento e são intensamente computacionais, e podem não ser muito bem adequados para medição de fundo de poço.

[0054] O requerente achou útil desenvolver um método para determinar se uma alteração na propriedade de formação é detectada com base no CUSUM (controle de somas cumulativas). CUSUM é uma técnica de análise sequencial desenvolvida pela E.S. Page em 1954. Ela é selecionada devido à sua robustez e facilidade de implementação em um software para conjuntos de perfuração, que não possuem amplas capacidades de processamento de sinal.

[0055] O aparelho e o método introduzem o conceito de CUSUM na análise de dados de perfilagem, com o objetivo de monitorar alterações nas propriedades da formação e identificar diferentes litologias. Uma alteração na propriedade de formação, como raios gama, está associada a uma alteração na inclinação do CUSUM, que pode ser identificada com um algoritmo de software exclusivo. Essa análise não se restringe aos sinais de raios gama, mas pode ser usada para vários tipos de sensores de fundo de poço. Para melhorar a sensibilidade da medição de fundo de poço às propriedades de formação, uma possível modalidade pode incluir sensores espectrais de raios gama. O processamento do sinal é feito com algoritmos complementares que capturam alterações de sinal de curto prazo devido a variações de propriedades de rochas em uma determinada litologia, mas também variações de longo prazo, associadas a diferentes litologias. A análise de sinal de curto prazo permite calcular variações sutis de ROP dentro de uma dada formação, enquanto a análise de sinal de longo prazo permite calcular a ROP média dentro de uma dada camada estratigráfica. Para o cálculo da profundidade da ferramenta, é usado um valor médio de ROP. Uma vez que uma mudança estatisticamente significativa no sinal do primeiro sensor é detectada, a fonte de radiação e o segundo sensor são ativados/acionados. A profundidade da broca de perfuração pode ser avaliada com base no valor médio da ROP calculada (para uma determinada litologia) e no tempo total no fundo do poço.

[0056] A variação da inclinação é geralmente mais associada à mudança de formação que não os ruídos de várias fontes. Opcionalmente, a precisão da detecção de variação de inclinação pode ser melhorada pelo processamento do sinal (filtragem, suavização, etc.) antes do cálculo de uma soma cumulativa. Em um exemplo, um valor limite deve ser predefinido para a detecção de variação de inclinação, o que significa que a unidade de processamento 308 fornece esse sinal de disparo para a fonte de radiação 304 se uma mudança de inclinação da curva CUSUM exceder esse valor limite. Isso torna o sistema mais confiável, preciso e menos vulnerável a ruídos ou outros eventos irrelevantes.

[0057] Ao monitorar/detectar emissões de raios gama na formação, o primeiro sensor 302 gerará sinais discretos, representados por um conjunto de dados brutos.

[0058] A fonte de radiação 304 pode ter um evento de disparo adicional, além da detecção de alteração da propriedade de formação. Por exemplo, a fonte de radiação 304 pode, adicionalmente, emitir radiação para a formação regularmente (por exemplo, a cada vários minutos). O segundo sensor 306 pode detectar a parte da formação excitada desse modo, e uma ROP pode ser calculada da maneira como descrito anteriormente. O aparelho e o método estão propondo uma nova ideia para permitir que a fonte de radiação responda à detecção de alteração da propriedade de formação, mas não se limita a uma modalidade em que a fonte de radiação é acionada apenas quando uma alteração da propriedade de formação for detectada. Na prática, a fonte de radiação pode ter evento(s) adicional(ais) de disparo.

[0059] A Figura 5 ilustra um perfil de raios gama obtido por um primeiro sensor durante a medição em campo. A Figura 6 ilustra uma curva CUSUM dos dados de perfilagem mostrados na Figura 5. O perfil de dados brutos é mostrado como um conjunto de dados discretos 51. O conjunto de dados, após a filtragem, é ilustrado pela curva 52. A partir das Figuras 5 e 6, é observada uma correlação clara entre alterações na litologia e alterações na inclinação do sinal CUMSUM 62. Por exemplo, o subconjunto de dados indicado pela referência numérica 521 corresponde a um ponto de salto 621 na Figura 6, e o subconjunto de dados indicado pela referência numérica 522 corresponde a um ponto de salto 622 na Figura 6. A inclinação da curva 62 muda consideravelmente nos dois pontos de salto 621 e 622, indicando que uma mudança na propriedade de formação é detectada nos momentos de tempo correspondentes às referências numéricas 521 e 522.

[0060] Na Figura 5, o eixo horizontal é o eixo do tempo, na unidade de segundo. O eixo vertical indica a medição de raios gama, como sua força, na unidade de GAPI (gama API). A partir do conjunto de dados 51 e curva 52, observa-se que o sinal de raios gama detectado pelo primeiro sensor 302 permanece relativamente estável até um aumento acentuado indicado pelo número de referência 521, o que ocorre principalmente porque o primeiro sensor 302 entrou em uma camada de formação diferente, que apresenta uma emissão de raios gama diferente. Após 521, o sinal de raios gama permanece relativamente estável novamente, o que ocorre principalmente porque o primeiro sensor 302 permanece na nova camada de formação onde o sinal de raios gama flutua, mas não muda drasticamente até outra mudança considerável, conforme indicado pelo número de referência 522.

[0061] A Figura 6 ilustra uma curva de soma cumulativa derivada com base nos dados mostrados na Figura 5. A curva 62 é derivada com base, por exemplo, na curva 52. Na Figura 6, o eixo horizontal indica o tempo (na unidade do segundo (S)), o eixo vertical indica o CUSUM do valor do sinal de raios gama detectado (por exemplo, força do mesmo). O ponto de virada/salto 621 corresponde aos pontos de dados em torno de 521, o ponto de virada/salto 622 corresponde aos pontos de dados em torno de 522. Isso significa que os raios gama detectados pelo primeiro sensor realmente mudam (ou salta) nos/pelos pontos de virada 621 e 622. Os pontos de virada podem ser identificados por, por exemplo, um algoritmo Matlab que será descrito mais detalhadamente. Nas Figuras 5 e 6, o momento de tempo correspondente ao ponto de virada 621 é indicado como T1, o momento de tempo correspondente ao ponto de virada 622 é indicado como T1'.

[0062] Enquanto o primeiro sensor 302 permanecer dentro da mesma camada de formação, a soma cumulativa do sinal medido, ver, por exemplo, a curva 62, produz uma linha com uma inclinação relativamente constante. Assim que a litologia muda, a inclinação da curva CUSUM 62 também muda, ver, por exemplo, o ponto de virada 621 ou 622.

[0063] Existem várias fontes de ruído nas detecções do primeiro sensor 302, variando de ruído intrínseco associado à natureza aleatória do processo radiativo da formação, até ruído eletrônico devido ao primeiro sensor. Independentemente de sua origem, o ruído introduz incertezas e influencia a precisão dos valores calculados de ROP. Para reduzir a incerteza nos valores calculados de ROP, um algoritmo aprimorado é desenvolvido com recursos de processamento de sinal. O algoritmo pode adotar um filtro Kalman, que não suaviza o ponto de transição (diferente de outros filtros) e, portanto, permite uma determinação mais precisa do verdadeiro momento no tempo em que os raios gama 302 realmente ”veem” uma camada de formação diferente. Assim, os valores da propriedade, tais como raios gama, detectados pelo primeiro sensor 302, são preferencialmente suavizados e, em seguida, utilizados para calcular a soma cumulativa.

[0064] Em um exemplo, de acordo com o algoritmo que pode ser implementado no Matlab e usado pela unidade de processamento 508, a soma cumulativa ilustrada na Figura 6 pode ser calculada com base nas seguintes fórmulas: para i=1, CUSUM(i) = propriedade (i) - mu (1) para i>1, CUSUM(i) = CUSUM (i-1) + (propriedade (i)-mu) (2)

[0065] em que i é um número inteiro positivo e é o número de série dos valores da propriedade detectada pelo primeiro sensor 302, a propriedade (i) é o i-ésimo valor da propriedade detectada pelo primeiro sensor (ou o valor do i-ésimo ponto de dados na Figura 5), mu é uma média dos valores. Mu é uma média de todos os pontos de dados disponíveis em cada etapa durante a medição. Na prática, seria iniciado o monitoramento da formação e um conjunto de dados significativo será coletado antes que uma alteração na propriedade da formação seja observada. Isso fornece dados suficientes para calcular mu e CUSUM. Para o primeiro ponto CUSUM, mu pode ser calculado como, ou seja, metade do valor do primeiro sinal de raios gama detectado.

[0066] A unidade de processamento 308 determina que uma alteração da propriedade de formação é detectada no momento em que a propriedade (i) é detectada se CUSUM(i+2) > CUSUM(i+1) e CUSUM(i+1) ≤ CUSUM(i) (3) ou CUSUM(i+2) ≤ CUSUM(i+1) e CUSUM(i+1) > CUSUM(i) (4)

[0067] Os resultados obtidos durante um teste de pátio projetado para imitar uma operação de perfuração foram utilizados com sucesso para provar a viabilidade do método baseado em CUSUM para determinar se uma alteração na propriedade de formação é detectada.

[0068] A Figura 4 mostra um fluxograma exemplificativo de um método para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração de acordo com uma modalidade da invenção.

[0069] O método 40 compreende as seguintes etapas, normalmente executadas na seguinte ordem:

[0070] Etapa 400 (opcional): determinar se o primeiro sensor 302 deve detectar os raios gama na formação. Isso pode ser feito monitorando-se o peso na broca (WOB) e a rotação por minuto (RPM) da broca de perfuração 104. Se a broca de perfuração não estiver girando ou o WOB estiver muito baixo, o primeiro sensor 302 pode esperar e não iniciar a detecção. Em um exemplo, o monitoramento de WOB e RPM da broca de perfuração pode ser contínuo, por exemplo, se a broca de perfuração parar de girar, o primeiro sensor 302 pode parar de detectar os raios gama porque a broca de perfuração não está avançando. Se o resultado da etapa 400 confirmar a rotação da broca, então, o método continuará para a etapa 402.

[0071] Etapa 402: Uma propriedade da formação, como raios gama, é detectada pelo primeiro sensor 302 nesta etapa, como mencionado anteriormente com referência ao aparelho 30.

[0072] Etapa 404: Na etapa 404, enquanto o primeiro sensor 302 está detectando os raios gama da formação, a unidade de processamento 308 recebe detecções de raios gama do primeiro sensor 302 e determina se uma mudança nos raios gama é detectada, como mencionado anteriormente. Se uma alteração for detectada, o método prossegue para a etapa 406, caso contrário, pode repetir a etapa 404.

[0073] Etapa 406: Uma mudança de raios gama é detectada pelo primeiro sensor 302, de modo que a fonte de radiação 304 seja acionada nesta etapa para emitir radiação como radiação de nêutrons para uma parte da formação, a fim de excitar essa parte da formação, como mencionado anteriormente. O método 40 prossegue, então, para a etapa 408.

[0074] Etapa 408: O segundo sensor 406 é capaz de detectar a parte da formação que foi excitada pela fonte de radiação 304 na etapa 406. Se a parte excitada da formação for detectada, o método prossegue para a etapa 410, caso contrário, a etapa 408 é repetida. Como mencionado anteriormente, o segundo sensor 406 pode ser formado como um sensor de raios gama para detectar a parte excitada 220 detectando raios gama emitidos pela parte 220, ou ser formado como um sensor de nêutrons para detectar nêutrons deixados na parte 220 pela fonte de radiação 304.

[0075] Etapa 410: a unidade de processamento 308 calcula uma taxa de penetração da broca de perfuração, depois que a parte excitada da formação é detectada, com base no seguinte: uma duração de tempo T entre a fonte de radiação ser acionada e a parte excitada da formação ser detectada, e a distância L entre a fonte de radiação 304 e o segundo sensor 306. L é fixo e conhecido, T pode ser facilmente medido por um temporizador.

[0076] A presente divulgação não está limitada às modalidades conforme descrito acima e às reivindicações anexas. Muitas modificações são concebíveis e os recursos das respectivas modalidades podem ser combinados.

Claims (15)

1. Aparelho (30) para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração (1), em que o aparelho é caracterizado pelo fato de que compreende: um primeiro sensor (302) configurado para detectar uma propriedade de uma formação de subsuperfície (200); uma fonte de radiação (304) configurada para, quando acionada, emitir radiação para excitar uma parte (220) da formação; uma unidade de processamento (308) configurada para acionar a fonte de radiação se for detectada uma alteração da propriedade da formação; um segundo sensor (306) posicionado a uma distância conhecida da fonte de radiação e operacionalmente conectado à unidade de processamento, o segundo sensor é configurado para detectar a dita parte excitada da formação e está mais distante de uma broca de perfuração (104) do sistema de perfuração do que a fonte de radiação; a unidade de processamento é ainda configurada para, depois que a parte excitada da formação for detectada, calcular uma taxa de penetração da broca de perfuração com base no seguinte: uma duração de tempo entre a fonte de radiação ser acionada e a parte excitada da formação ser detectada, e a distância entre a fonte de radiação e o segundo sensor.

2. Aparelho (30) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de radiação (304) está mais distante da broca de perfuração (104) do que o primeiro sensor (302).

3. Aparelho (30) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de processamento (308) está configurada para calcular uma soma cumulativa (CUSUM) da propriedade da formação (200) e acionar a fonte de radiação (304) se a soma cumulativa indica uma alteração da propriedade.

4. Aparelho (30) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os valores de propriedade detectados pelo primeiro sensor (302) são suavizados e depois usados para calcular a soma cumulativa.

5. Aparelho (30) de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a soma cumulativa é calculada com base nas seguintes fórmulas: para i=1, CUSUM(i) = propriedade (i) - mu, para i>1, CUSUM(i) = CUSUM(i-1)+(propriedade(i)-mu), em que i é um número inteiro positivo e é o número de série dos valores da propriedade detectados pelo primeiro sensor, a propriedade (i) é o i-ésimo valor da propriedade detectado pelo primeiro sensor, mu é uma média de todos os valores disponíveis da propriedade que foram detectados.

6. Aparelho (30) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a unidade de processamento (308) é ainda configurada para determinar que a propriedade da formação (200) muda no momento em que a propriedade (i) é detectada se: CUSUM(i+2) > CUSUM(i+1) e CUSUM(i+1) ≤ CUSUM(i) ou se CUSUM(i+2) ≤ CUSUM(i+1) e CUSUM(i+1) > CUSUM(i).

7. Aparelho (30) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a propriedade da formação (200) detectada pelo primeiro sensor (302) inclui pelo menos um dos seguintes: radiação, densidade, velocidade do som.

8. Sistema de perfuração (1) caracterizado pelo fato de que compreende um aparelho (30) para medição de fundo de poço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7.

9. Método (40) para medição de fundo de poço durante a operação de um sistema de perfuração (1) caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: detectar (402) uma propriedade de uma formação de subsuperfície (200); determinar (404) se uma alteração da propriedade da formação é detectada; se uma mudança da propriedade da formação for detectada, acionar (406) uma fonte de radiação (304) para emitir radiação para uma parte (220) da formação para excitar a dita parte da formação; detectar (408) a dita parte excitada da formação com um sensor (306) que está posicionado a uma distância conhecida L da fonte de radiação e está mais distante de uma broca de perfuração do sistema de perfuração do que a fonte de radiação; calcular (410) uma taxa de penetração da broca de perfuração, depois que a parte excitada da formação é detectada, com base no seguinte: uma duração de tempo entre a fonte de radiação ser acionada e a parte excitada da formação ser detectada e a distância entre a fonte de radiação e o sensor.

10. Método (40) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a fonte de radiação (304) está mais distante da broca de perfuração (104) do que o primeiro sensor (302).

11. Método (40) de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que determinar (404) se uma alteração da propriedade da formação é detectada compreende: calcular uma soma cumulativa (CUMSUM) da propriedade da formação (200), e determinar se a soma cumulativa indica uma alteração da propriedade da formação.

12. Método (40) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os valores da propriedade detectados pelo primeiro sensor (302) são suavizados e depois usados para calcular a soma cumulativa.

13. Método (40) de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a soma cumulativa é calculada com base nas seguintes fórmulas: para i=1, CUSUM(i) = propriedade (i) - mu, para i>1, CUSUM(i) = CUSUM(i-1)+(propriedade(i)-mu), em que i é um número inteiro positivo e é o número de série dos valores da propriedade detectados pelo primeiro sensor, a propriedade (i) é o i-ésimo valor da propriedade detectado pelo primeiro sensor, mu é uma média de todos os valores disponíveis da propriedade que foram detectados.

14. Método (40) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que determinar se a soma cumulativa indica uma alteração da propriedade compreende: determinar que a propriedade da formação muda no momento em que a propriedade (i) é detectada se: CUSUM(i+2) > CUSUM(i+1) e CUSUM(i+1) ≤ CUSUM(i) ou se CUSUM(i+2) ≤ CUSUM(i+1) e CUSUM(i+1) > CUSUM(i).

15. Método (40) de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado pelo fato de que a propriedade da formação (200) inclui pelo menos um dos seguintes: radiação, densidade, velocidade do som.