BR122013000450A2 - método e sistema de modelo de interação de broca e alargador - Google Patents

Abstract

método e sistema de modelo de interação de broca e alargador. os ensinamentos da revelação são dirigidos a um método e sistema de modelo de interação de alargador e/ou broca. o método pode incluir receber dados de desempenho em relação a uma estrutura de corte, e calcular uma curva de característica utilizando os dados de desempenho. a curva de característica pode ser baseada em peso e/ou baseada em torque. o método também pode inclui armazenar a curva de característica. em modalidades específicas, a curva de característica pode incluir peso na estrutura de corte ou torque na estrutura de corte, como uma função da taxa de penetração.

Description

“MÉTODO E SISTEMA DE MODELO DE INTERAÇÃO DE BROCA E ALARGADOR” Dividido do pedido BR 11 2012 016547 0, depositado em 5 de janeiro de 2010 Campo técnico Os ensinamentos da presente revelação se referem à seleção, análise e avaliação de estruturas de corte e mais particularmente, a um método e sistema de modelo de interação de broca e alargador.

Antecedentes Uma broca na extremidade de uma montagem de furo inferior (BHA) é utilizada para fazer um furo através de formações de terra. A broca tem um desenho com uma estrutura de corte para realizar essa tarefa. Os modelos da estrutura de corte podem prever desempenho em termos de taxa de penetração (ROP), força, torque, força lateral, vibração, tendências de percurso, capacidade de direção, etc. uma broca pode conter uma estrutura de corte secundária que é destinada a aumentar ainda mais o furo, como uma broca bi-central. Para fins da presente revelação, essas estruturas de corte secundárias podem ser consideradas como parte da broca e não parte de um alargador.

Um alargador é utilizado para aumentar um furo através de formações de terra. O alargador tem um desenho com uma estrutura de corte para realizar essa tarefa. Os modelos da estrutura de corte podem prever desempenho em termos de taxa de penetração (ROP), força, torque força lateral, vibração tendências de percurso, capacidade de direção, etc.

Um alargador pode existir na extremidade de um BHA (sem uma broca) se o furo piloto formado por uma broca já existir. Tipicamente um alargador é utilizado acima de uma broca na mesma BHA. Múltiplos alargadores também podem ser desdobrados, cada aumentando um incremento diferente de tamanho de furo (com ou sem uma broca). Múltiplos alargadores do mesmo incremento de aumento poderíam ser também utilizados para redundância no caso de falha de uma estrutura de corte. Alargamento pode ocorrer tanto na direção para baixo como para cima ao longo do furo.

Um alargador pode empregar uma estrutura de corte fixa, como um abridor de furo de peça única, ou uma estrutura de corte expansível/retrátil para passar através de restrições na completação do furo do poço, ou para aumentar somente seções específicas de um furo para fins específicos. O controle seletivo de um alargador expansível/retrátil poderia ser também utilizado para manter um alargador dormente como um backup no caso de falha de uma estrutura de corte de alargador principal.

Um modo simples para caracterizar o desempenho da broca e estruturas de corte de alargador é necessário. Com uma caracterização simples, o desempenho dessas estruturas de corte pode ser facilmente comparado através de uma gama de parâmetros de perfuração e litologia e avaliado contra um conjunto de limitações.

Os ensinamentos da presente revelação são dirigidos a um método e sistema de modelo de interação de alargador e/ou broca. De acordo com uma modalidade específica, o método inclui receber dados de desempenho em relação a uma estrutura de corte e calcular uma curva de característica utilizando os dados de desempenho. A curva de característica pode ser baseada em peso e/ou baseada em torque. O método inclui ainda armazenar a curva de característica.

Em uma modalidade específica da presente revelação, a curva de característica inclui (peso em estrutura de corte/resistência de rocha) ou (torque na estrutura de corte/peso na estrutura de corte), como uma função de (taxa de penetração/velocidade giratória).

Em outra modalidade da presente revelação, a curva de característica inclui variar peso ou torque na estrutura de corte como uma função de uma taxa de penetração da estrutura de corte.

De acordo ainda com outra modalidade da presente revelação, um método inclui receber primeira e segunda curvas de característica em relação a primeira e segunda estruturas de corte, respectivamente. Uma curva de característica de sistema é calculada que combina a primeira curva de característica e a segunda curva de característica. A curva de característica de sistema pode ser então comparada com outras curvas de característica, e uma montagem de furo inferior pode ser selecionada, com base na comparação.

De acordo ainda com outra modalidade da presente revelação um método inclui receber critérios de seleção de estrutura de corte e exibir várias estruturas de corte que atendem alguns ou todos os critérios para um usuário. O método pode incluir ainda receber uma seleção de estruturas de corte para comparação, a partir do usuário. De acordo com uma modalidade específica da presente revelação, as estruturas de corte da seleção podem ser comparadas utilizando suas curvas de característica respectivas. Os resultados da comparação podem ser exibidos para o usuário.

Vantagens técnicas de modalidades específicas da presente revelação incluem um método e sistema de modelo de interação de broca e alargador que permite a coleta de dados mínimos em relação a uma(s) estrutura(s) de corte, e o caçulo, armazenagem e/ou dis-play de uma curva de característica que reflete o desempenho previsto de tal(tais) estruturais) de corte.

Outra vantagem técnica de modalidades específicas da presente revelação inclui um modelo de interação de broca e alargador que permite seleção rápida de uma broca particularmente adequada, alargador, e/ou estruturas de corte combinadas de alarga-dor(es)/broca utilizando dados de múltipla(s) fonte(s). De acordo com modalidades específicas, a seleção pode atender a um conjunto de limitações através de um espectro de parâmetros de perfuração e litologia.

Breve descrição dos desenhos Para compreensão mais completa da presente revelação e suas vantagens, faz-se referência agora às seguintes descrições, tomadas em combinação com os desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 ilustra estruturas de corte de broca e alargador em um poço operacional, que podem ser selecionadas de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 2-3 ilustram curvas de característica baseadas em peso, de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 4-5 ilustram curvas de característica baseadas em torque, de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 6-7 ilustram gráficos de distribuição de peso, de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 8-9 ilustram gráficos de distribuição de torque, de acordo com modalidades específicas da presente revelação; A figura 10 ilustra um gráfico de distribuição de peso, de acordo com modalidades específicas da presente revelação; A figura 11 ilustra um gráfico de distribuição de torque, de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 12a-12h ilustram curvas de característica, de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 13-25 ilustram instantâneos de tela de uma interface de usuário gráfica associada a um sistema de computador que pode ser utilizado para rodar software incorporando instruções do método da presente revelação, de acordo com modalidades específicas da presente revelação;

As figuras 26-27 ilustram modalidades específicas de fluxogramas descrevendo um algoritmo(s) que pode(m) ser utilizado(s) de acordo com uma modalidade específica da presente revelação; A figura 28 ilustra um processo(s) iterativo(s) que pode(m) ser utilizado(s) no cálculo de uma curva de característica, de acordo com modalidades específicas da presente revelação; A figura 29 ilustra representações de um BHA, variando litologia e instruções dos “casos" encontrados pela BHA, de acordo com uma modalidade específica da presente revelação; e A figura 30 ilustra um sistema de computador que pode ser utilizado para implementar aspectos dos ensinamentos da presente revelação.

Descrição detalhada das modalidades Os ensinamentos da presente revelação fornecem um sistema e método que permi- te seleção eficiente e rápida de uma broca, alargador e/ou estruturas de corte combinadas de alargador(es)/broca, particularmente apropriadas. A seleção pode ser destinada a atender um conjunto de limitações e pode tratar de um ou mais de um espectro de parâmetros de perfuração e litologia. Os dados de múltipla(s) fonte(s) podem ser utilizados no processo de seleção. De acordo com uma modalidade específica, sistemas ou métodos da presente revelação podem empregar um algoritmo de software e/ou uma metodologia que caracteriza e analisa desempenho de estrutura de corte de alargador e broca em uma variedade de modos. A figura 1 ilustra uma montagem de furo inferior 30 que inclui múltiplas estruturas de corte incluindo uma estrutura(s) de corte associada(s) a uma broca 32 na extremidade da montagem de furo inferior BHA, e uma estrutura(s) de corte associada(s) a um alargador 34 localizado acima do furo a partir da broca 30. A broca 32 na extremidade do (BHA) é tipicamente utilizada para fazer um furo através de formações de terra. A broca 32 tem um desenho especifico que inclui uma estrutura(s) de corte de broca para realizar essa tarefa. Os modelos da estrutura de corte de broca podem ser utilizados para prever desempenho em termos de taxa de penetração (ROP), força, torque, força lateral, vibração, tendências de percurso, capacidade de direção, etc. em modalidades específicas, a broca 32 pode conter uma ou mais estruturas de corte secundárias que são destinadas a aumentar ainda mais o furo, como uma broca bi-central. Para fins desse relatório descritivo, essas estruturas de corte secundárias podem ser consideradas como parte da broca e não parte de um alargador. O alargador 34 é tipicamente utilizado para aumentar um furo através de formações de terra. O alargador 34 tem um desenho com uma estrutura(s) de corte de alargador para realizar essa tarefa. Os modelos da estrutura de corte podem prever desempenho em termos de taxa de penetração (ROP), força, torque, força lateral, vibração, tendências de percurso, capacidade de direção, etc.

Em modalidades alternativas da presente revelação, o alargador 34 pode ser localizado na extremidade de uma BHA (sem uma broca), por exemplo, se o furo piloto formado por uma broca já existir. Um alargador pode ser também localizado mais elevado acima em um BHA sem uma broca se um furo piloto formado por uma broca já existir. Tipicamente, um alargador é utilizado acima de uma troca na mesma BHA. Múltiplos alargadores também podem ser desdobrados, cada aumentando um incremento diferente de tamanho de furo (com ou sem uma troca). Múltiplos alargadores do mesmo incremento de aumento também poderiam ser utilizados para redundância no caso de falha de uma estrutura de corte. O a-largamento pode ocorrer tanto na direção para baixo como para cima ao longo do furo.

Um alargador pode empregar uma estrutura de corte fixa, como um abridor de furo de peça única, ou uma estrutura de corte expansível/retrátil para passar através de restri- ções na completação de furo de poço, ou para aumentar somente seções específicas de um furo para fins específicos. O controle seletivo de um alargador expansível/retrátil também pode ser utilizado para manter um alargador dormente como um backup em caso de falha de uma estrutura de corte de alargador principal.

Para fins do presente relatório descritivo, “estrutura de corte” se refere a uma ou mais estruturas em um BHA que realizam uma operação de corte ou perfuração. Por exemplo, uma broca pode incluir uma estrutura de corte única, ou múltiplas estruturas de corte. Similarmente, um alargador incluirá tipicamente somente uma única estrutura de corte, porém um único alargador pode incluir também múltiplas estruturas de corte.

Os ensinamentos da presente revelação também fornecem um sistema e método simplificados para caracterizar o desempenho das estruturas de corte de broca e/ou alarga-dor(es). Com uma caracterização simples, o desempenho dessas estruturas de corte pode ser facilmente comparado com outras estruturas de corte ou combinações de estruturas de corte, através de uma gama de parâmetros de perfuração e litologia, e avaliados contra um conjunto de limitações.

De acordo com a presente revelação, curvas de característica podem ser utilizadas para caracterizar o desempenho de uma estrutura de corte ou um sistema de estruturas de corte (por exemplo, broca 32 e/ou alargador 34) em sua relação com fatores de operação e ambiental dominante como: peso axial aplicado, torque, resistência de rocha, taxa de rotação, e taxa de penetração através da rocha. Após uma curva de característica ser gerada para uma estrutura de corte, os detalhes de tamanho de cortador, posição de cortador, ângulo de inclinação traseira de cortador, ângulo de inclinação lateral de cortador e outras características não são necessários para prever seu desempenho em qualquer litologia dada. Por exemplo, curvas de característica que são geradas de dados de desempenho em campo medidos, efetivos em vez de modelos, não exigem conhecimento de tais detalhes de cortador. A existência de curvas de característica permite que estruturas de corte individuais sejam facilmente analisadas individualmente, ou juntas em um sistema de estruturas de corte, para prever o desempenho do sistema e/ou selecionar um sistema particularmente apropriado para um dado conjunto de limitações.

Curvas de característica simples baseadas em torque e baseadas em peso de estruturas de corte de broca e alargador são ilustradas e descritas abaixo.

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição do termo “peso em broca” (WOB) inclui o peso axial ou força aplicada em uma estrutura de corte de broca, e as unidades podem ser dadas em quilos (kg).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição do termo de “torque em broca” (TOB) inclui o torque rotacional gerado pela estrutura de corte de broca em resposta a um WOB aplicado, e as unidades podem ser dadas em joules (joules).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição do termo de “torque em alargador” (TOR) inclui o torque rotacional gerado na estrutura de corte de alargador em resposta a WOR aplicada, e as unidades podem ser dadas em joules (joules).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição de “resistência de rocha” (σ) inclui a resistência compressiva de rocha e as unidades podem ser dadas em Megapas-cal (MPa).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição de “taxa de penetração” (ROP) inclui a taxa de penetração axial de uma estrutura de corte através de rocha, e as unidades podem ser dadas em cm ou metros por hora (cm/h).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição de “velocidade giratória” inclui a taxa de rotação de uma estrutura de corte, e as unidades podem ser dadas em giros por minuto (RPM).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição de “peso em sistema” (WSYS) inclui a força ou peso axial aplicada em um sistema de BHA de estruturas de corte, e as unidades podem ser dadas em quilos (kg).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição de “torque em sistema” (TSYS) inclui o torque rotacional resultante gerado do sistema de BHA de estruturas de corte em resposta a WSYS aplicado, e as unidades podem ser dadas em joules (joules).

Para as finalidades desse relatório descritivo, a definição de d é a profundidade de penetração por giro de uma estrutura de corte ou sistema de estruturas de corte, e as unidades podem ser dadas em centímetros por giro (cm/giro) das estruturas de corte ou sistema de estruturas de corte.

Unidades utilizadas podem diferir a partir de cima. Entretanto, até o ponto em que cálculos e/ou comparações devem ser feitas, ou gráficos e/ou dados devem ser combinados (como descrito abaixo), unidades devem ser medidas compativelmente.

De acordo com uma modalidade específica da presente revelação, a seguinte metodologia pode ser empregada, e/ou padrões de indústria e literatura acessados e baseados, em derivar as curvas de característica descrevendo estruturas de corte de sondagem de terra (por exemplo, brocas de cortador fixo, brocas de cone de rolete, e dispositivos de alargamento inferior fixos ou expansíveis, quer concêntricos ou excêntricos em desenho).

Uma finalidade dessas curvas de característica é auxiliar a fornecer uma solução para a pergunta de interação de broca-alargador: “quais são as capacidades de desempenho de uma combinação de broca e alargador utilizada na vida real, e como pode uma dada combinação produzir desempenho aperfeiçoado no fundo do poço?” durante os últimos anos isso provou uma pergunta cada vez mais difícil para responder se executando ou tentando otimizar ou melhorar o desempenho durante uma operação de aumentar enquanto perfura si m ultaneamente..

Sem tentar cobrir uma solução transiente (dependente de tempo) para essa pergunta nesse ponto, foi decidido primeiramente identificar uma solução constante viável. Para acomodar isso e permitir sua integração em uma ferramenta de avaliação independente, não diretamente ligada a plataformas de engenharia de estilo de análise de elemento finito avançado (FEA) (capazes de analisar somente cada componente individualmente) alguma forma de curva(s) de característica é benéfica.

Essa informação de referência pode ser compilada diretamente dos resultados de cálculo de tais plataformas de engenharia de extremidade elevada, porém ao mesmo tempo poderia ser derivada de dados de desempenho em vida real (quer sejam baseados em informações de perfuração em tempo real ou históricas).

Enquanto deriva essa (essas) curva(s) de característica e desenvolve uma solução para a pergunta de Interação de broca-alargador é vantajoso assegurar que os seguintes parâmetros estejam contidos nas mesmas: (a) a velocidade giratória, (b) o peso de perfuração, (c) o torque de perfuração, (d) a taxa de penetração e (e) a resistência de rocha com-pressiva.

Presumivelmente um de, se não a maioria das equações bem conhecidas no campo de petróleo recentemente é a fórmula de Teale definindo Energia específica (The concept of specific energy in rock driiling”, Teale, International Journal Rock Mechanics mining Science, 1964) - o trabalho feito por volume de rocha escavada, E„ e as unidades podem ser dadas em Megapascal (MPa). Essa equação é ilustrada abaixo para uma broca: Onde "A” é a área em seção transversal de furo e as unidades podem ser dadas em centímetros quadrados (cm2).

Uma vez que essa equação é bem conhecida e aceita através da indústria pareceu um bom ponto de partida em desenvolver a(s) curva(s) de característica exigida(s), embora não cobrisse inicialmente todos os parâmetros exigidos.

Pessier e outros (Quantifying common driiling problems with mechanical specific energy and a bit-specific coefficient of sliding friction, Pessier e outros, SPE no. 24584, 1992) descrevem ainda como Teale introduziu o conceito de energia específica mínima (ou eficiência mecânica máxima). A energia específica mínima é atingida quando a energia específica se aproxima ou é aproximadamente igual à resistência compressiva da rocha sendo perfura (significando a eficiência mecânica máxima é obtida ), isto é, Essa forma da equação de energia específica contém agora todos os parâmetros desejados que devam estar finalmente presentes nas curvas de característica: (a) a velocidade giratória, (b) o peso de perfuração, (c) o torque de perfuração, (d) a taxa de penetração e (e) a resistência de rocha compressiva.

Para encontrar uma equação de característica apropriada, de acordo com algumas modalidades da presente revelação, alguma manipulação dessa equação é necessária. O rearranjo da equação em energia especifica mínima, A profundidade de penetração por giro é, Substituindo na equação por “A” fornece, Reduzindo para, Exame adicional de Pessier revela a definição do coeficiente de deslizamento de fricção, μ, que é sem dimensão: Onde D é o diâmetro de furo e unidades podem ser expressas em centímetros (cm.).

Esse coeficiente de fricção, de deslizamento, foi inicialmente introduzido para expressar o torque de perfuração como uma função do peso de perfuração. Esse coeficiente de deslizamento de fricção pode ser inserido na equação para A: Rearranjando e reduzindo, Essa equação foi tomada como sendo uma forma apropriada para uma equação de característica em que WOB/σ pode ser relacionado a algo tangível (área em seção transversal de furo, A) através de uma transformada não dimensional (nos parênteses) que dependia da profundidade de penetração por giro, d. essa relação para WOB/σ é chamada a “Área eficaz” e as unidades podem ser dadas em centímetros quadrados (cm.2). O valor do coeficiente de fricção, de deslizamento, μ, e/ou o valor de WOB/σ pode ser fornecido por modelos ou dados para um dado valor de d. desse modo, a forma dessa equação de característica “baseada em peso” é o que é importante (ao contrário da própria equação) onde a Área eficaz é uma função de d.

Ter uma curva de característica que define o peso em uma estrutura de corte exigida para avançar em uma dada profundidade de penetração por giro, d, em uma dada resistência de rocha é muito útil. As equações acima podem ser aplicadas em qualquer estrutura de corte, por exemplo, uma estrutura de corte de alargador, por substituir WOB com WOR, e TOB com TOR.

Essa forma da equação de característica captura eficazmente quatro dos cinco parâmetros desejados (velocidade giratória, peso de perfuração, taxa de penetração, e resistência de rocha compressiva) excetuando o torque de perfuração. De acordo com modalidades específicas, uma segunda equação de característica “baseada em torque” era necessária como uma função da profundidade de penetração por giro, d, também. Foi observado que TOB/WOB, tendo unidades em centímetros (cm), podería ser uma característica desejável para complemento WOB/σ (tendo unidades em centímetros quadrados (cm2)). Tal característica pode ser derivada por retornar à equação para área de furo em energia específica mínima, A: Para um furo circular, A = π-R2 Onde R é o raio do furo e unidades podem ser dadas em centímetros (cm). Desse modo, Essa equação foi tomada como sendo uma forma apropriada para uma segunda equação de característica em que TOB/WOB dependia da profundidade de penetração por giro, d, e a primeira Área efetiva característica (WOB/σ), que ela própria depende da profundidade de penetração por giro, d. essa relação para TOB/WOB é chamada o “Raio efetivo” e as unidades podem ser dadas em centímetros (cm) Warren (Factors affecting torque for a roller cone bit", Warren, SPEno.11994, 1984) mostra uma relação de certo modo similar para torque de uma broca de cone de rolete, porém o foco estava em tentar utilizar torque de broca de cone de rolete como indicador de propriedades de formação. As equações acima podem ser aplicadas a qualquer estrutura de corte, por exemplo, uma estrutura de corte de alargador, por substituir WOB com WOR, e TOB com TOR.

Novamente, a forma dessa equação de característica “baseada em torque” é o que É importante (ao contrário da própria equação) onde o Raio efetivo é uma função de d. A coleta de vários conjuntos de dados (contendo os cinco parâmetros mencionados) permite a determinação de duas curvas/tendências de característica enquanto implementa alguma forma de ajuste de curva sobre as mesmas. Esses conjuntos de dados podem ser gerados a partir das plataformas de engenharia de estilo FEA do estado da técnica anteriormente mencionados para um dado dispositivo de sondagem de terra, ou podem também ser compilados utilizando informações de perfuração de vida real.

Aquelas curvas de característica definem agora a resposta de perfuração de estado constante global de um dispositivo de sondagem de terra sem ser exigido para avaliar certo desenho em uma plataforma de engenharia de extremidade elevada e isso por uma quantidade sem limite de combinações de ambiente de perfuração. A figura 2 ilustra uma curva de característica baseada em peso referente a uma broca, por exemplo, broca 32. A curva de característica inclui uma representação gráfica do desempenho previsto da(s) estrutura(s) de corte. Na modalidade ilustrada da figura 2, eixo geométrico x ou horizontal reflete a profundidade de penetração por giro, d (medido em centímetro por giro da broca). O eixo geométrico vertical, ou eixo geométrico y reflete o peso sobre em broca dividido por resistência de rocha (a Área efetiva). Na modalidade ilustrada da figura 2, a broca 32 é uma broca de 21,59 cm. Como discutido em mais detalhe abaixo, os dados utilizados para gerar a curva de característica da figura 2 podem ser derivados de uma variedade de fontes, incluindo dados efetivos, ou dados derivados de um modelo de computador. A figura 3 ilustra uma curva de característica baseada em peso similar â figura 2, exceto que a curva de característica da figura 3 se refere a um alargador, por exemplo, alar-gador 34. A curva de característica inclui uma representação gráfica do desempenho da(s) estrutura(s) de corte. Na modalidade ilustrada da figura 3, o eixo geométrico horizontal ou x reflete a profundidade de penetração (medido em centímetros) por giro, d, do alargador. O eixo geométrico vertical ou eixo geométrico y reflete o peso em alargador dividido por resistência de rocha (a Área efetiva). Na modalidade ilustrada da figura 3, o alargador 34 é um alargador de 21,59 cm por 31,11 cm. A figura 4 ilustra uma curva de característica baseada em torque referente a uma broca, por exemplo, broca 32. A curva de característica inclui uma representação gráfica do desempenho de estrutura(s) de corte. Na modalidade ilustrada da figura 4, o eixo geométrico horizontal ou x reflete a profundidade de penetração (medida em centímetros) por giro, d, da broca. O eixo geométrico vertical, ou eixo geométrico y reflete o torque em broca dividido por peso em broca (o Raio efetivo). Na modalidade ilustrada da figura 4, a broca 32 é uma broca de 21,59 cm. A figura 5 ilustra uma curva de característica baseada em torque similar à figura 4, exceto que a curva de característica da figura 5 se refere a um alargador, por exemplo, alar-gador 34. A curva de característica inclui uma representação gráfica do desempenho de estrutura(s) de corte. Na modalidade ilustrada da figura 5, o eixo geométrico hor9izontal ou x reflete a profundidade de penetração (medida em centímetros) por giro, d, do alargador. O eixo geométrico vertical, ou eixo geométrico y reflete o torque em alargador dividido por peso em alargador (o Raio efetivo). Na modalidade ilustrada da figura 5, o alargador 34 é um alargador de 21,59 cm por 31,11 cm.

De acordo com os ensinamentos da presente revelação, as curvas de característica baseadas em peso para uma broca e alargador(es) em uma dada BHA podem ser combinadas como ilustrado na figura 6. Como ilustrado na figura 6, cada das curvas de característica de alargador e broca é refletida sobre um gráfico comum, com eixos geométricos comuns. A curva de característica inclui uma representação gráfica do desempenho de estrutura de corte. Na modalidade ilustrada da figura 6, o eixo geométrico horizontal ou x reflete a profundidade de penetração (medida em centímetros) por giro, d, das estruturas de corte (por exemplo, broca 32 e alargador 34). O eixo geométrico vertical, ou eixo geométrico y reflete o peso na estrutura de corte (por exemplo, broca ou alargador) dividido pela resistência de rocha (σ) (a Área efetiva). Na modalidade ilustrada da figura 6, a troca 32 é uma broca de 21,59 cm e alargador 34 é um alargador de 21,59 cm por 31,11 cm.

Como representado na figura 6, as curvas de característica combinadas permitem que um usuário selecione qualquer ROP/RPM desejado para uma BHA que inclui broca 32 e alargador 34, e rapidamente calcula (ou pelo menos aproxima) o peso associado em resistência de rocha/broca para a broca 32 (“WOB/σ resultante”) e o peso associado no aiarga-dor/resistência de rocha para o alargador 34 (“WOR/σ resultante"). A estrutura de corte de broca e a estrutura de corte de alargador podem estar em litologias diferentes com resistência de rocha diferente, σ. A resistência de rocha apropriada, a, para cada estrutura de corte deve ser utilizada, como ob para a resistência de rocha associada à broca e um σΓ para a resistência de rocha associada ao alargador.

Além disso, a curva de característica baseada em peso para o sistema de BHA combinado de uma broca e estruturas de corte de alargador pode ser gerada como ilustrado na figura 7. Similar à figura 6, a figura 7 reflete a curva de característica de broca 32 e alargador 34. Entretanto, a figura 7 também inclui a curva de característica do sistema (curvas de característica de estrutura de corte de alargador e broca combinada). A curva de característica do sistema reflete a soma da curva de característica de broca e curva de característica de alargador. A curva de característica de sistema permite que um usuário determine o peso exigido para o sistema, para qualquer ROP desejado. Na figura 7, a broca 32 é uma broca de 21,59 cm e o alargador 34 é um alargador de 21,59 cm por 31,11 cm.

Vale a pena observar que duas curvas de características baseadas em peso podem somente ser “adicionadas” juntas para obter o ajuste de curva do sistema, se as resistências de rocha que as duas estruturas de corte estão encontrando são iguais, ou aproximadamente iguais. Isso é verdadeiro porque a resistência de rocha aparece no denominador do eixo geométrico y das curvas de característica baseadas em peso.

Em um modo similar, de acordo com os ensinamentos da presente revelação, s curvas de característica baseadas em torque para um sistema que inclui uma broca e alar-gador(es) em uma dada BHA podem ser ilustradas em um gráfico comum como ilustrado na figura 8. Como mostrado na figura 8, cada das curvas de característica de alargador e troca é refletida sobre um gráfico comum, com eixos geométricos comuns. A curva de característica inclui uma representação gráfica do desempenho de estruturas de corte respectivas. Na modalidade ilustrada da figura 8, o eixo geométrico horizontal ou x reflete a profundidade de penetração (medida em centímetros) por giro, d, das estruturas de corte (por exemplo, broca 32 e alargador 34). O eixo geométrico vertical, ou eixo geométrico y reflete o torque na estrutura de corte (por exemplo, broca 32 e alargador 34) dividido pelo peso na estrutura de corte (o Raio efetivo). Na modalidade ilustrada da figura 8, a broca 32 é uma broca de 21,59 cm e o alargador 34 é um alargador de 21,59 cm por 31,11 cm.

Como representado na figura 8, as curvas de característica combinadas permitem que um usuário selecione qualquer ROP/RPM desejado para uma BHA que inclui broca 32 e alargador 34, e calcular rapidamente (ou pelo menos aproximar) o torque associado em bro-ca/peso em broca para a broca 32 (“TOB/WOB resultante”) e o torque associado em alarga-dor/peso em alargador para o alargador 34 (“TOR/WOR resultante”).

De modo semelhante, uma curva de característica baseada em torque para o sistema BHA combinado (incluindo as estruturas de corte de broca 32 e alargador 34) pode ser gerada como ilustrado na figura 9. O eixo geométrico y dessa curva representa TSYS/WSYS e o eixo geométrico x é a profundidade de penetração por giro, d, que foi compativelmente utilizada em todas as curvas de característica. Desse modo, valores das curvas de característica anteriores podem ser combinados como a seguir em um dado ROP/RPM e resistência de rocha, σ, para obter a característica desejada: Onde unidades de TOB, TOR, e TSYS são [joules]; unidades de WOB, WOR e WSYS são (kg); e unidades de σ são [MPa]. Outras unidades podem ser aplicadas também desde que fatores de conversão apropriados sejam utilizados. É freqüentemente desejável saber que o sistema BHA aplicou peso, WSYS, (por exemplo, na figura 7) exigido para perfurar em um ROP desejado (em uma rocha dada em um RPM desejado) bem como a distribuição daquele sistema de BHA aplicou peso às estruturas de corte na BHA. Uma vez que a broca e alargador(es) em uma BHA têm o mesmo ROP nominal, as curvas de característica combinadas tornam mais fáceis ver como a distribuição de peso e distribuição de torque entre estruturas de corte de broca e alargador(es) devem existir para manter aquele ROP em uma dada rocha e RPM. A soma dos pesos que são distribuídos em cada das estruturas de corte é igual ao peso aplicado no sistema de estruturas de corte, de acordo com a seguinte equação: WSYS [kg] = WOB [kg] + WOR(s) [kg] De modo semelhante, a soma dos torques gerados por cada das estruturas de corte é igual ao torque gerado pelo sistema de estruturas de corte, de acordo com a seguinte equação: TSYS Qoules] = TOB [joules] + TOR(s) [joules] Uma curva de característica baseada em peso para o sistema de BHA de estruturas de corte pode ser gerada por simplesmente adicionar juntas as curvas para cada estrutura de corte (vide, por exemplo, a figura 7 que combina uma curva de característica baseada em peso de broca e uma curva de característica baseada em peso de alargador, em uma curva de característica baseada em peso do sistema). Entretanto, o mesmo não é verdadeiro das curvas de característica baseadas em torque. Curvas de característica baseadas em torque não podem ser adicionadas juntas do mesmo modo que as curvas de característica baseadas em peso, porque a medição de peso no denominador é diferente entre os dois (isto é, peso em alargador e peso em broca não são iguais).

Curvas de característica combinadas refletem o peso individual em broca e peso em alargador(es) que correspondem a um ROP de perfuração desejado (em uma dada rocha e RPM desejado) bem como o peso no WSYS de sistema de estruturas de corte de a-largador e broca na BHA que correspondem a um ROP desejado. De modo semelhante, as curvas de característica combinadas mostram o torque individual em broca e torque em a-largador(es) gerado pelo peso individual em broca e peso em alargador(es) no ROP desejado (em uma dada rocha e RPM desejado).

Vale a pena observar que o RPM das estruturas de corte em uma BHA pode ser diferente (porém são tipicamente iguais). Por exemplo, uma dada BHA pode incluir um motor de lama entre a broca e alargador, que pode acionar a estrutura de corte de broca em um RPM mais elevado do que a estrutura de corte de alargador. Nessa modalidade, o alargador pode ser acionado no RPM de tubo de perfuração diretamente a partir da sonda de perfuração na superfície. Nesse caso, ROP nominal ainda será igual para cada estrutura de corte, porém ROP/RPM, conseqüentemente a profundidade de penetração por giro, d, será diferente para as estruturas de corte diferentes. A estrutura de corte girando em um RPM mais elevado tem de ter um valor mais baixo de d para progredir no mesmo ROP que outra estrutura de corte na mesma BHA girando em um RPM mais baixo. As curvas de característica individuais para cada estrutura de corte são ainda válidas nesse caso, porém as curvas de sistema não são, uma vez que o RPM nos respectivos denominados não é igual.

Em lugar de ou além de determinar que o sistema de BHA aplicasse resistência de rocha/peso (WSYS/σ) exigida para perfurar em um ROP desejado, pode ser desejável determinar o ROP que pode ser obtido com um dado WSYS disponível. Aqui a curva do nível de sistema é valiosa para encontrar o ROP que pode ser mantido por um dado WSYS (em uma rocha dada e RPM desejado). Vide, por exemplo, a figura 10. Após determinação do ROP de sistema, as distribuições de torque e peso podem ser obtidas como anteriormente juntamente com o torque de sistema TSYS.

De modo semelhante, pode ser desejado determinar o ROP que pode ser obtido com um dado limite desejado de torque de sistema TSYS. Novamente, a curva de nível de sistema é valiosa para encontrar o ROP que pode ser mantido em um dado nível de TSYS (em uma dada rocha e RPM e WSYS desejados). Vide, por exemplo, a figura 11. Após o ROP do sistema ser determinado, as distribuições de torque e peso podem ser obtidas como descrito acima.

Limitações diferentes de peso em estrutura de corte, torque em estrutura de corte, taxa de penetração e velocidade giratória também podem ser utilizadas na avaliação e/ou processo de seleção, de acordo com outras modalidades da presente revelação. Por exemplo, uma limitação de WOB máxima ou mínima pode ser utilizada para determinar o ROP máximo ou mínimo (em uma dada rocha e RPM desejado). A partir do ROP, distribuições de torque e peso bem como peso exigido do sistema e torque gerado podem ser determinadas. Limitações similares podem ser utilizadas para um alargador(es). Ainda outra limitação pode incluir profundidade de penetração máxima ou mínima por giro, d [cm./giro] (o eixo geométrico x nas curvas de característica).

Ainda em outra modalidade da presente revelação, uma nova estrutura de corte pode ser projetada para aproximar uma curva de característica desejada. Por exemplo, pode ser desejável utilizar uma dada estrutura de corte de alargador que tem certa curva de característica. Pode ser também desejável projetar uma nova estrutura de corte de broca com uma curva de característica que casa estreitamente com o alargador, de modo que o alargador e broca exijam WOR e WOB similares para perfurar através de uma dada formação de rocha. Outros objetivos de desenho podem incluir: manter certa razão desejada de WOR e WOB ou TOR e TOB; manter WOR e WOB desejados quando o alargador e broca estão em formações diferentes.

As curvas de característica para cada estrutura de corte podem ser geradas utilizando modelos existentes de seu desempenho. Modelos de desempenho de estrutura de corte través de uma dada litologia de rocha e parâmetros de perfuração são comuns. Por exemplo, modelos gerados por sistemas de computador empregando o software IBitS™ e IReamS (disponível da Halliburton) podem ser utilizados para gerar, total ou em parte, ou suplementar curvas de característica, de acordo com os ensinamentos da presente revelação. entretanto, outras fontes de gerar curvas de característica são disponíveis, e descritas em mais detalhe abaixo.

Curvas de característica para estruturas de corte de alargador e broca podem ser obtidas de uma variedade de fontes incluindo, porém não limitadas a: (i) modelos de computador das estruturas de corte (por exemplo, IBits™, IReamS); (ii) medições de fundo de poço de WOB, WOR, TOB, TOR, RPM , σ (medição de porosidade utilizada para determinar σ), e pressão (visto que afeta σ); (iii) medições de superfície de ROP, RPM, WSYS, TSYS, e densidade de lama; (iv) informações fornecidas por concorrente publicamente disponíveis (folhas de especificação, material de marketing, papéis brancos, etc.); (v) informações fornecidas pelo cliente; (vi) combinações de modelos e medições efetivas; (vii) modelos e/ou medições que variam com o uso através de desgaste de cortador; ou (viii) geração em tempo real de curvas de característica.

Medições de fundo de poço anteriormente feitas de WOB, WOR, TOB, TOR, RPM, σ, e pressão (visto que afeta resistência de rocha) de ferramentas de perfilagem enquanto perfura (LWD) existem e podem ser utilizadas para ajudar a gerar curvas de característica “efetivas”. ROP (um componente necessário) é tipicamente medido na superfície. RPM também é tipicamente medido na superfície, porém também pode ser medido no fundo do poço com ferramentas LWD. Tais curvas de característica “efetivas” podem ser utilizadas para comparar, e aperfeiçoar curvas geradas por modelo, e também podem ser adicionadas a um banco de dados de dados de desempenho, para referência como dados de poço atuais ou deslocados.

Medições de superfície de ROP, RPM, WSYS, TSYS e densidade de lama (pressão de fundo de poço) também podem ser utilizadas para gerar, total ou em parte, ou suplementar a geração de curvas de característica, e validar/aperfeiçoar curvas geradas por modelo.

Frequentemente, fabricantes de broca não revelarão detalhes suficientes para permitir modelagem por terceiros de uma estrutura de corte diretamente (por exemplo, através de IBitS™ ou IReamS). Entretanto, se o fabricante fornecer dados de desempenho como ROP VS. WOB, ou ROP VS. WOR, para um dado RPM e resistência de rocha, curvas de característica podem ser construídas. Folhas de especificação que são publicadas por tais fabricantes podem fornecer tais informações. Dados de desempenho em relação a brocas de um fabricante específico, alargadores, etc., também podem ser derivados de medições de superfície e fundo de poço como descrito acima. Similarmente, clientes e clientes em potencial podem fornecer dados de desempenho de brocas ou alargadores de um fabricante específico suficientes para gerar curvas de característica.

Combinações de modelos e medições também podem ser utilizadas para gerar curvas de característica. Frequentemente as medições podem ser utilizadas para refinar modelos. À medida que cortadores em uma estrutura de corte de alargador ou broca desgastam o desempenho da estrutura de corte, e consequentemente as curvas de característica, mudarão. Essas alterações são difíceis de prever, embora modelos que tentem fazer isso existam. Dados de campo podem ser mais precisos com relação à medição de desempenho em declínio. Curvas de característica podem ser geradas para estruturas de corte gastas e calibradas na quantidade de descarga. Desse modo, tais curvas de característica podem ser utilizadas para prever/aperfeiçoar o desempenho das estruturas de corte, com o passar do tempo e uso.

Dados em “tempo real” (coleados no local durante operações de perfuração) também podem ser utilizados para gerar curvas de característica enquanto perfura, para ver como o desempenho muda com o passar do tempo, ou litologia, ou parâmetros de perfuração. Essas alterações podem ser utilizadas para recomendar parâmetros operacionais diferentes ou puxar uma broca ou alargador do poço após o desempenho ter degradado além de um nível aceitável. Há diversas fontes disponíveis para coletar dados de desempenho, e há um número grande de brocas e alargadores a serem avaliados (um usuário beneficiará se centenas, ou mesmo milhares de brocas e/ou alargadores forem avaliados e comparados) para uma operação de perfuração específica. Para permitir um cálculo preciso da curva de característica de uma dada de corte dada, um ajuste de curva é calculado que reflete precisamente os dados de desempenho, ou valores de desempenho. De acordo com uma modalidade específica, os valores de desempenho podem incluir peso em estrutura de corte e/ou torque em estrutura de corte. Em uma modalidade específica, o ajuste de curva pode ser um ajuste de curvo polinomial.

Para permitir comparações de muitas configurações em um dado tempo, bem como para velocidade de cálculo, ajustes de curva polinomial das curvas de característica são realizados e somente os coeficientes do polinômio são armazenados no banco de dados de estrutura de corte (juntamente com informações adicionais para cada estrutura de corte de alargador e broca). Desse modo, milhares de estruturas de corte de broca podem ser armazenadas no banco de dados, e avaliadas rapidamente para uma dada operação de perfuração.

Nas modalidades ilustradas, as curvas de característica são bidimensionais e refletem certos valores de desempenho (peso ou torque em estrutura de corte) versus taxa de penetração por giro. Entretanto, será reconhecido por aqueles com conhecimentos comuns na técnica que outras modalidades podem empregar tridimensional (por exemplo, um “eixo geométrico Z”) ou quatro dimensões (por exemplo, variação de tempo), de acordo com os ensinamentos da presente revelação.

De acordo com uma modalidade específica da presente revelação, um polinômio até 20° grau (21 parâmetros) pode ser utilizado como um ajuste de curva para refletir as curvas de característica baseadas em torque e baseadas em peso (vide, por exemplo, as figuras 12a até 12h). as figuras 12a até 123h ilustram um ajuste de curva de broca baseado em peso (dois segmentos) e baseado em torque (dois segmentos). As figuras 12e até 12h ilustram um ajuste de curva de alargador baseado em peso (dois segmentos) e baseado em torque (dois segmentos), de acordo com modalidades específicas da presente invenção.

Em uma modalidade específica, um modelo como IBitS (para bits) ou IReamS (para alargadores) é utilizado para calcular valores de pontos de dados nas curvas de característica (valores y “originais”). Para aumentar a precisão em baixos valores de profundidade de penetração por giro, d, curvas de característica são geradas em dois segmentos de sobreposição. O primeiro segmento de cada curva de característica é gerado utilizando 201 pontos de dados, de d=0,00635 [mm/giro] para d=2,04 [mm/giro] (inclusive) em incrementos de d de 0,01 [mm./giro]. Para realizar isso, os modelos são passados com velocidade giratória de 120 [rpm] e resistência de rocha de 124,1 [MPa] enquanto incrementa o ROP de 4,57 [cm/h.] para 14,68 [m/h.] (inclusive) em incrementos de 7,32 [cm/h.]. O segundo segmento de cada curva de característica é gerado utilizando 201 pontos de dados de d=1,02 [mm/giro] para d=25,4 [mm/giro] (inclusive) em incrementos de d de 0,122 [mm/giro]. Para realizar isso, os modelos são feitos com velocidade giratória de 120 [RPM] e resistência de rocha de 124,1 [MPa] enquanto incrementa o ROP de 7,32 [m/h] para 182,88 [m/h] (inclusive) em incrementos de 87,78 [cm/h]. é importante observar que os valores calculados de d até 2,54 [cm.] podem exceder o que é fisicamente possível. Porém o cálculo de valores em relação a tal faixa grande permite que as iterações computacionais descritas posteriormente ocorram em um modo suave.

Os dois segmentos sobrepõe para valores de d entre 1,02 [mm/giro] e 2,04 [mm/giro] (inclusive). Ajustes de curva polinomial são calculados para cada segmento e os coeficientes dos polinômios são armazenados no banco de dados de curvas de característica para cada estrutura de corte. Na aplicação do programa, os coeficientes polinomiais do primeiro segmento de cada curva de característica são utilizados para valores de d menores do que 1,52 [mm/giro]. Quando valores de d são maiores ou iguais a 1, 52 [mm/giro], os coeficientes polinomiais do segundo segmento de cada curva de característica são utilizados. Desse modo, erros de ajuste de curva que ocorrem próximo às extremidades dos segmentos de curva polinomial não impactam os resultados nessa região de sobreposição.

Em cada incremento, para a curva de característica baseada em peso de uma bro- ca, valores originais de WOB/σ e profundidade de penetração por giro, d, (derivado dos valores de ROP e RPM) são calculados. Um ajuste de curva de polinômio é realizado em cada de dois segmentos, cada segmento contendo 201 pontos de dados, como descrito acima. Os detalhes do processo de ajuste de curva polinomial são descritos posteriormente.

Em cada incremento, para a curva de característica baseada em torque de uma broca, valores originais de TOB/WOB e profundidade de penetração por giro, d, (derivado dos valores de ROP e RPM) são calculados. Um ajuste de curva polinomial é realizado em cada de dois segmentos, cada segmento contendo 201 pontos de dados, como descrito a-cima. Os detalhes do processo de ajuste de curva polinomial são descritos posteriormente.

Em cada incremento, para a curva de característica baseada em peso de um alar-gador, valores originais de WOR/σ e profundidade de penetração por giro, d, (derivado dos valores de ROP e RPM) são calculados. Um ajuste de curva polinomial é realizado em cada de dois segmentos, cada segmento contendo 201 pontos de dados como descrito acima. Os detalhes do processo de ajuste de curva polinomial são descritos posteriormente.

Em cada incremento, para a curva de característica baseada em torque de um alar-gador, valores originais de TOR/WOR e profundidade de penetração por giro, d, (derivado dos valores de ROP e RPM) são calculados. Um ajuste de curva polinomial é realizado em cada de dois segmentos, cada segmento contendo 201 pontos de dados como descrito acima. Os detalhes do processo de ajuste de curva polinomial são descritos posteriormente.

Em todas essas modalidades específicas, o ajuste de curva polinomial de cada segmento de cada curva de característica é realizado por primeiramente centrar novamente e reescalonar os valores de eixo geométrico x (profundidade de penetração por giro, d) dos pontos de dados originais para propriedades numéricas melhores do ajuste de curva. Os valores de eixo geométrico x são transformados (centrados novamente e escalonados novamente) em valores x’ como a seguir: Onde dAv é a média dos 201 valores de profundidade de penetração por giro, d, e Std d é o desvio padrão dos 201 valores de profundidade de penetração por giro, d. A seguir um ajuste de curva polinomial de quadrados mínimos convencional é aplicado aos 201 pontos de dados de cada segmento de cada curva de característica para determinar os coeficientes do polinômio. Um exemplo desse ajuste de curva polinomial pode ser encontrado na função "polyfit” de software de computação técnica comercialmente disponível MATLAB® disponível da The MathWorks™. O grau, “n”, do polinômio de cada segmento de cada curva de característica é escolhido como a seguir para obter o nível desejado de precisão: Para o primeiro segmento (0,00635 < d [mm/giro] < 2,04 mm) para estruturas de corte de broca, a curva de característica baseada em peso (WOB/σ) utiliza um polinômio de 15° grau (16 coeficientes); para o segundo segmento (1,02£ d [mm/giro]£ 25,4) para estruturas de corte de broca, o segmento de curva de característica baseado em peso (WOB/σ) usa um polinômio de 15° grau (16 coeficientes); para o primeiro segmento (0,00635 £ d [mm/giro]£ 2,04 mm) para estruturas de corte de broca, o segmento de curva de característica baseado em torque (TOB/WOB) usa um polinômio de 20° grau (21 coeficientes); para o segundo segmento (1,02 £ d [mm/girojs 25,4) para estruturas de corte de broca, o segmento de curva de característica baseado em torque (TOB/WOB) usa um polinômio de 20° grau (21 coeficientes); para o primeiro segmento (0.00635 £ d [mm/giro]£ 2,04 mm) para estruturas de corte de alargador, o segmento de curva de característica baseado em peso (WOR/σ) usa um polinômio de 13° grau (14 coeficientes); para o segundo segmento (1,02 £ d [mm/giro]£ 25,4) para estruturas de corte de a-largador, o segmento de curva de característica baseado em peso (WOR/σ) usa um polinômio de 13° grau (14 coeficientes); para o primeiro segmento (0.00635 £ d [mm/giro]£ 2,04 mm) para estruturas de corte de alargador, o segmento de curva de característica baseado em torque (TOR/WOR) usa um polinômio de 20° grau (21 coeficientes); para o segundo segmento (1,02 £ d [mm/giro]£ 25,4) para estruturas de corte de a-largador, o segmento de curva de característica baseado em torque (TOR/WOR) usa um polinômio de 20° grau (21 coeficientes).

Para os 201 pontos de dados originais de cada segmento de cada curva de característica, os valores de eixo geométrico x são definidos iguais â profundidade de penetração por giro, d. para qualquer valor dado de x, x’ é calculado para escalonar novamente e centrar novamente os valores de x por Para cada valor de x, consequentemente x’, um valor y original associado é conhecido. Os coeficientes do ajuste de curva de polinômio são determinados utilizando o conjunto de dados (x\ y) dos 201 pontos de dados originais de cada segmento de cada curva de característica. Os coeficientes do ajuste de curva polinomial são determinados utilizando rotinas de matemática equivalentes à função de polyfit de MATLAB®.

Valores-y “ajustados”, y”, podem ser calculados utilizando os coeficientes aplicados i aos valores x’: onde y’éo resultado ajustado calculado (WOB/σ, TOB/WOB, WOR/σ, TOR/WOR) para qualquer x dado, consequentemente x’; e Ao, A1, A2, A3 ... An são os coeficientes de um polinômío de n° grau para o segmento apropriado da curva de característica no grau desejado n. para fins de verificação de erro, essa série ajustada de valores pode ser comparada com a série de valores originais correspondentes para determinar se o ajuste de curva poli-nomial adequadamente representa a curva de característica original. Uma comparação de ajuste de quadrados mínimos é realizada entre a série de dados originais e os novos valores ajustados pelo que um coeficiente de correlação R é determinado como: Onde m é o número de valores de dados em uma série, por exemplo 201; y, ó o valor y original (WOB/σ, TOB/WOB, WOR/σ, TOR/WOR) a partir do modelo de i° ponto de dados na série de m pontos de dados; e y’i é o valor y ajustado (WOB/σ, TOB/WOB, WOR/σ, TOR/WOR) calculado a partir do ajuste de curva polinomial. O coeficiente de correlação R é elevado ao quadrado para obter o coeficiente de determinação.

Em uma modalidade específica, o coeficiente de determinação R2 deve ser preferivelmente maior ou igual a 0,9998 para o ajuste de curva polinomial para ter uma condição de erro aceitável.

Uma indicação visual da adequação do ajuste de curva polinomial com coeficiente de correlação R como descrito acima pode ser vista nas figuras 12a até figura 12h onde os valores y’ ajustados são traçados no topo da curva de característica através dos valores y originais.

Além disso, outros ajustes de curva podem ser utilizados, compreendidos nos ensinamentos da presente revelação. Por exemplo, ajustes de curva linear, lei de potência, loga-rítmico, e/ou exponencial podem ser utilizados para calcular, ou armazenar o ajuste de curva de característica.

Será reconhecido por aqueles com conhecimentos comuns na técnica que muitas configurações de estrutura de corte são possíveis em uma BHA. De acordo com os ensinamentos da presente invenção, o desempenho de estruturas de corte pode ser comparado através de todas as combinações e permutações de (i) broca; (ii) alargador; (iii) broca mais alargador; (iv) broca mais múltiplos alargadores; e/ou múltiplos alargadores. Por exemplo, uma única broca pode ser comparada contra outra broca, porém uma única broca pode ser também comparada contra outra broca mais configuração de alargador. Além disso, desempenho de broca e alargador pode ser comparado através de tamanhos e tipos diferentes.

Pode ser desejável comparar até milhares de combinações de cada vez para encontrar a solução de melhor desempenho através de uma gama de parâmetros de litologia e perfuração e avaliados contar um conjunto de limitações.

Os ensinamentos da presente invenção permitem que um usuário colete e analise dados em relação a milhares de brocas e/ou estruturas de corte de alargador. Como discutido acima, de acordo com uma modalidade específica, tais dados podem ser armazenados em um banco de dados de estrutura de corte de coeficientes polinomiais de ajuste de curva de característica. Desse modo, um sistema e método são fornecidos para rápida e facilmente (i) escolher estruturas de corte candidatas e/ou combinações de estrutura de corte, (ii) comparar seu desempenho em um dado cenário de parâmetros de perfuração e litologia, e/ou (iii) selecionar as melhores configurações através do uso de um índice de desempenho.

De acordo com uma modalidade especifica da presente invenção, um algoritmo de computador permite que um usuário realize essas tarefas. A figura 26 e a figura 27 ilustram um fluxograma de modalidade específica do algoritmo. O banco de dados de coeficientes polinomiais de ajuste de curva de característica é representado na figura 26 nos quadrados rotulados CARACTERÍSTICA, TIPO DE PARAMETRO, e DADOS ADICIONAIS. CARACTERÍSTICA contém: os coeficientes polinomiais de cada segmento de cada curva de característica bem como o grau do polinômio, n, para cada segmento; dAv, a média dos 201 valores de profundidade de penetração por giro para cada segmento; e Std d, o desvio padrão dos 201 valores de profundidade de penetração por giro para cada segmento. TIPO DE PARÂMETRO armazena informações sobre se os coeficientes polinomiais foram gerados de um modelo ou de um registro de desempenho de um curso de broca efetivo. DADOS ADICIONAIS armazenam informações de identificação adicionais sobre as estruturas de conte como: (para brocas) série de broca, classe de broca, aplicação de broca, tecnologia de broca, contagem de lâmina de broca, tamanho de cortador de broca, formato de perfil de broca, diâmetro de broca, tipo de chanfro de broca, tamanho de chanfro de broca, número de material de broca, tipo de broca, número de estrutura de corte de broca, etc.; (para alar-gadores) tipo, corpo, diâmetro de abertura, diâmetro de furo piloto, contagem de braço, contagem de lâmina, layout, tamanho de cortador, número de material, nome de projeto, etc. A utilidade dessas informações adicionais na seleção de estruturas de corte para análise é discutida abaixo. A figura 13 ilustra um instantâneo de tela de um programa de computador que pode ser empregado para selecionar bits, alargadores, outras estruturas de corte, ou combinações das mesmas, de acordo com uma modalidade específica da presente revelação. A “tela inicial” da figura 13 permite que um usuário selecione uma operação a executar, incluindo: (i) selecionar brocas; (ii) selecionar alargadores; (iii) selecionar configurações; (iv) definir litologia; (v) ajustar parâmetros de perfuração; e/ou (vi) rodar algoritmo de seleção. A figura 14 ilustra uma tela de seleção de broca que permite a um usuário aplicar filtros em relação a várias características da broca para filtrar brocas menos apropriadas para a operação dada. A tela de seleção de broca permite que um usuário selecione e/ou identifique brocas em potencial por série de broca, classe de broca, aplicação de broca, tecnologia de broca, contagem de lâmina de broca, tamanho de cortador de broca, formato de perfil de broca, diâmetro de broca, tipo de chanfro de broca, tamanho de chanfro de broca, número de material de broca, tipo de broca, número de estrutura de corte de broca, etc. no exemplo da figura 14, tais filtros efetivamente reduziram o número de brocas em consideração para cento e três. O programa de computador também permite ao usuário selecionar um ou mais dos cento e três brocas a serem utilizadas em cálculos posteriores. Como ilustrado na figura 14, o usuário selecionou três dessas brocas para consideração adicional. A porção do algoritmo de computador correspondendo à funcionalidade mostrada na figura 14 é mostrada na figura 26 no quadrado rotulado ESTRUTURA DE CORTE onde estruturas de corte são selecionadas para análise adicional. A figura 15 ilustra uma tela de seleção de alargador que permite a um usuário aplicar filtros em relação a várias características do alargador para filtrar alargadores menos apropriados para a operação dada. A tela de seleção de alargador permite a um usuário selecionar e/ou identificar alargadores em potencial por tipo, corpo, diâmetro de abertura, diâmetro de furo piloto, contagem de braço, contagem de lâmina, layout, tamanho de cortador, número de material, nome de projeto, etc. Por exemplo, um filtro é o diâmetro de furo piloto que será normalmente selecionado para casar bits que foram anteriormente selecionados. Isso permite ao usuário filtrar alargadores menos apropriados para a operação dada. No exemplo da figura 15, filtros reduziram efetivamente o número de alargadores em consideração para onze. O programa de computador também permite ao usuário selecionar um ou mais dos onze alargadores a serem utilizados em cálculos posteriores. Como ilustrado na figura 15, o usuário selecionou dois desses alargadores para consideração adicional. Esses dois alargadores têm diâmetros de abertura diferentes no sistema. A porção do algoritmo de computador correspondendo à funcionalidade mostrada na figura 15 é mostrada na figura 26 no quadrado rotulado ESTRUTURA DE CORTE onde estruturas de corte são selecionadas para análise adicional.

As brocas e alargadores selecionados podem ser então exibidos em uma lista juntamente com tantos quanto toda combinação/permutação válida. O usuário pode selecionar brocas individuais, alargadores individuais, combinações de broca e alargador, ou toda broca, todo alargador e toda combinação para análise. A figura 16 permite que o usuário selecione as configurações a serem avaliadas. Todas as configurações possíveis de brocas, alargadores e brocas mais alargadores das seleções anteriores de brocas e alargadores são exibidas para o usuário. Na modalidade ilustrada, o usuário seleciona somente as configurações de broca mais alargador para análise adicional. A porção do algoritmo de computador correspondendo à funcionalidade mostrada na figura 16 é mostrada na figura 26 no quadrado rotulado CONFIGURAÇÃO onde estruturas de corte e combinações de estrutura de corte são selecionadas para análise adicional. Os itens selecionados são chamados “configurações”. A figura 17 ilustra um instantâneo de tela a partir do programa de computador que permite ao usuário definir a litologia a ser perfurada. De acordo com essa modalidade, zonas podem ser definidas por profundidade, comprimento e resistência de rocha. Qualquer número de zonas pode ser definido para refletir a litologia da formação a ser perfurada. Durante operações de perfuração normais, as estruturas de corte de alargador e broca em uma BHA encontram litologias diferentes (representadas por resistência de rocha) em tempos diferentes porque as estruturas de corte existem em locais diferentes ao longo da BHA. A figura esquerda da figura 29 mostra uma representação de uma BHA onde CSi é uma estrutura de corte de broca, CS2 é uma estrutura de corte de alargador na distância h1 acima da broca, e CS„ representa estruturas de corte de alargador adicionais se presentes na BHA. A figura média da figura 29 mostra vistas adjacentes da litologia encontrada pela broca e alargador nos mesmos pontos em tempo à medida que o poço é perfurado na direção descendente. A broca CSi encontra cada resistência de rocha nova σ-ι, σ2, σ3, σ4, antes do alargador CS2. A análise de desempenho de broca e alargador(es) inicia quando todas as estruturas de corte estão em uma liotologia definida (a estrutura de corte de alargador mais superior apenas tocando o topo da litologia definida mais superior). Na figura 29, a análise inicia quando a broca está em uma distância h1 abaixo do topo da resistência de rocha σ, e o a-largador está no topo da resistência de rocha σι. Nesse momento tanto a broca como o a-largador estão na mesma resistência de rocha que define o CASO 1 na análise mostrada na figura direita da figura 29. Ã medida que a BHA perfura mais para baixo da coluna litoló-gica, a estrutura de corte de broca encontra nova resistência de rocha σ2 antes da estrutura de corte de alargador. Isso define um caso novo, CASO 2, na análise onde a broca está na resistência de rocha σ2 e o alargador está ainda na resistência de rocha σι. perfurando adicionalmente nesse exemplo, o alargador encontra resistência de rocha σ2 enquanto a broca ainda está em resistência de rocha a2que define o CASO 3. Toda vez que uma das estruturas de corte na BHA encontra uma nova resistência de rocha, um novo caso é definido. Cada caso tem uma espessura ou comprimento (CASELENGTH) associado ao mesmo a partir da profundidade onde uma estrutura de corte encontra uma nova resistência de rocha até a profundidade onde qualquer uma das estruturas de corte encontra uma nova resistência de rocha. No exemplo da figura 29, as quatro resistências de rocha e duas estruturas de corte em uma distância h1 de separação definem sete casos para análise. Em geral, o último caso termina quando a broca atinge a parte inferior da litologia definida mais baixa. A porção do algoritmo de computador correspondendo à funcionalidade mostrada na figura 17 e figura 29 é mostrada na figura 27 no quadrado rotulado CASO onde a litologia é entrada no programa e analisada em “casos” para análise adicional e o comprimento ou espessura de cada caso é calculado e armazenado. A figura 18 ilustra um instantâneo de tela a partir do programa de computador que permite ao usuário definir parâmetros de perfuração a serem utilizados. De acordo com essa modalidade, um usuário pode definir o RPM, e certas dimensões da BHA, incluindo o comprimento, espaçamento de broca/alargador (necessário para definir "casos” de litologia bem como locais de ponto neutro), e inclinação. Utilizando a inclinação, o efeito de flutuação da lama de perfuração na BHA para cálculos de ponto neutro pode ser calculado com as entradas de densidade de lama, peso linear da BHA e densidade de material de BHA abaixo do alargador, e peso linear da BHA e densidade de material de BHA acima do alargador. O ponto neutro será discutido posteriormente em mais detalhe. Pesos baixo, médio e elevado no sistema (WSYS) podem ser definidos pelo usuário para calcular três índices de desempenho diferentes como descrito posteriormente. O peso no sistema é o peso de perfuração aplicado ao sistema de estruturas de corte na BHA. Esse peso é tipicamente fornecido pelo uso de colares de perfuração na BHA. O peso flutuante da coluna de perfuração inteira (menos fricção e reação entre a coluna de perfuração e o poço) incluindo os colares de perfuração é sustentado pela carga de gancho da sonda de perfuração na superfície quando as estruturas de corte não são engatadas com a formação. Pela ação da sonda de perfuração abaixar as estruturas de corte para engate com a formação e perfuração, parte do peso da BHA é transferida para as estruturas de corte e reagida pela rocha naquelas estruturas de corte, reduzindo a carga de gancho pela mesma quantidade. Essa redução em carga de gancho é o peso aplicado ao sistema de estruturas de corte. Se uma broca ou alargador for a única estrutura de corte na BHA, todo peso no sistema é aplicado à broca ou alargador. Se um aiargador(es) for(em) adicionado(s) à BHA acima da broca, o peso no sistema é compartilhado entre as estruturas de corte. Um dos principais objetivos do programa de computador da modalidade específica é determinar a distribuição do peso no sistema para as estruturas de corte que existem na BHA. A porção do algoritmo de computador correspondendo à funcionalidade mostrada na figura 18 é mostrada na figura 27 no quadrado rotulado PARÂMETROS DE PERFURAÇÃO.

As limitações podem ser incorporadas no algoritmo para toda estrutura de corte e podem incluir: (i) WOB mínimo; (ii) WOB máximo; (iii) torque máximo na conexão de broca; (iv) WOR mínimo; (v) WOR máximo; (vi) torque máximo no corpo de alargador; (vii) profundidade máxima de penetração por giro (broca e alargador); e/ou (viii) profundidade mínima de penetração por giro (broca e alargador).

De acordo com os ensinamentos da presente revelação, o programa de computa- dor executa uma análise para calcular um índice de desempenho para cada “configuração” de estrutura de corte de BHA que é representativa do desempenho de agregado através de todos os “casos” de todos os incrementos de litologia no RPM especificado em cada WSYS. O índice de desempenho para cada configuração, conjunto de casos, e WSYS pode ser representado por um símbolo em um gráfico. De acordo com uma modalidade específica, cada configuração mostrará três símbolos em uma coluna vertical, um cada para WSYS baixo (mais baixo), WSYS médio (médio), e WSYS elevado (mais elevado). Muitas configurações podem ser exibidas juntas, coluna por coluna. Será frequentemente o caso que muitos dos símbolos são vermelhos pois violam pelo menos uma limitação para pelo menos um caso. É possível que somente alguns símbolos verdes possam existir; esses podem ser comparados e são candidatos para estudo adicional e seleção potencial para uso em uma BHA. Cada configuração pode consistir em uma ou mais estruturas de corte. O índice de desempenho é utilizado para comparar os mesmos todos juntos.

Na modalidade ilustrada, três níveis WSYS são utilizados para gerar três valores de índice de desempenho para cada configuração, porém um número maior ou menor de níveis WSYS pode ser potencialmente utilizado, mesmo WSYS em tempo real em uma análise em tempo real enquanto perfura. Na modalidade ilustrada, o índice de desempenho é ajustado igual ao ROP geral calculado da configuração através da litologia no RPM dado em cada WSYS. ROP pode ser calculado utilizando as curvas de característica para cada estrutura de corte através de um processo iterativo. A porção do algoritmo de computador onde ROP é calculado é mostrada na figura 27. Aqui uma “análise de peso" é realizada para cada caso, configuração e WSYS. Na análise de peso, o peso de WSYS que é distribuído para cada estrutura de corte (por exemplo, WOB, WOR) na BHA é determinado de tal modo que a profundidade de penetração por giro, d, é igual para todas as estruturas de corte na BHA. Sabendo que o valor de d que atende essa condição, o ROP pode ser facilmente determinado juntamente com duração de perfuração. Para um dado WSYS e configuração, a duração de perfuração para todos os casos pode ser somada, com a duração mais baixa tendo o ROP geral mais elevado através de todos os casos. Esse ROP geral é igualado ao índice de desempenho.

Os detalhes desse processo iterativo são mostrados na figura 28. As curvas de característica para as estruturas de corte em uma dada BHA são definidas em uma faixa de profundidade de penetração por giro, d, de dmin igual a 0,00635 mm por giro até dmax igual a 25,4 mm por giro, em dois segmentos. O ponto de partida inicial do processo iterativo é a média de dmin = 0 [mm/giro] = e dmax = 25,4 [mm/giro], ou d = 12,7 [mm/giro] (onde d = (dmin + dmax)/2). Lembre que d é o eixo geométrico x da curva de característica baseada em peso e que o eixo geométrico x de cada segmento da curva de característica foi centrado novamente e escalonado novamente através do uso de dAv e Std d. lembre também que WOB/σ é o eixo geométrico y da curva de característica baseada em peso para uma broca e WOR/σ é o eixo geométrico y da curva de característica baseada em peso para um alarga-dor. Lembre também que os coeficientes (AO, A1, A2, ...An) de um ajuste de curva polinomi-al para cada segmento de cada curva de característica são armazenados em um banco de dados de curvas de característica de estrutura de corte juntamente com dAv e Std d para cada segmento de cada curva de característica. Desse modo, para calcular peso em uma estrutura de corte em um dado valor de d o algoritmo necessita somente conhecer resistência de rocha σ para o caso em mão: onde o peso na estrutura de corte de broca (WOB) é mostrado para a resistência de rocha σ encontrada pela broca no caso dado. Em modalidades específicas, os parâmetros apropriados de coeficientes polinomiais, dAv, e Std d devem ser utilizados para o valor de d no cálculo. Os parâmetros do primeiro segmento são utilizados para d < 1,52 [mm./giro] e os parâmetros de segundo segmento são utilizados para d £ 1,52 [mm./giroJ. Uma equação similar é utilizada para calcular o peso em uma estrutura de corte de alargador (WOR) utilizando os coeficientes polinomiais de cada segmento da curva de característica de alargador, substituindo WOB com WOR, e a resistência de rocha σ que o alargador encontra no caso dado. A figura 28 mostra os detalhes da análise de peso para uma BHA com uma broca e um alargador. Começando com o valor inicial de d = (dmin + dmax)/2, a resistência de rocha encontrada pela broca, σΒ, e a resistência de rocha encontrada pelo alargador aR no caso dado, o peso na broca e peso no alargador são calculados, somados e o peso somado comparado com o peso do sistema. Se o peso somador for menor do que o peso do sistema, dmin á reajustado no valor atual de d, dmax é mantido igual, e um valor novo de d = (dmin + dmax)/2 é utilizado nos cálculos de peso. Se o peso somador for maior do que o peso do sistema, dmax é reajustado no valor atual de d, dmin é mantido igual e um valor novo de d = (dmin + dmax)/2 é utilizado nos cálculos de peso. Esse processo iterativo é repetido até que o peso somado seja igual ao peso do sistema em uma tolerância de 0,045 [kg] ou até que um limite de 1000 iterações seja atingido. Se uma solução for encontrada, o valor atual de d na última iteração é o valor válido de d para todas as estruturas de corte e para o sistema de estruturas de corte na BHA. O valor atuai do peso na broca (WOB) e o peso no alargador (WOR) na última iteração são também os valores válidos para aqueles parâmetros e são compatíveis com o valor válido de d e o peso do sistema WSYS. Se 1000 iterações forem atingidas antes de convergência, uma condição de erro existe e uma mensagem de erro é exibida para o usuário. Outras condições de tolerância de erro, como peso somado estando compreendido em uma percentagem de peso de sistema, digamos em uma tolerância de 0,1% ou 1,0%, poderiam ser também implementadas.

Após os valores válidos de d, WOB e WOR serem determinados para o caso, configuração e WSYS, valores para TOB e TOR podem ser determinados através do uso da curva de característica baseada em torque para cada estrutura de corte sem iteração adicional. Lembre que d é o eixo geométrico x da curva de característica baseada em torque e que o eixo geométrico x de cada segmento da curva de característica foi recentrada e escalonada novamente através do uso de dAv e Std d. lembre também que TOB/WOB é o eixo geométrico y da curva de característica baseada em torque para uma broca e TOR/WOR é o eixo geométrico y da curva de característica baseada em torque para um alargador. Lembre também que os coeficientes (B0, B1, B2, ... Bn) de um ajuste de curva polinomial para cada segmento de cada curva de característica são armazenados em um banco de dados de curvas de característica de estrutura de corte juntamente com dAv e Std d para cada segmento de cada curva de característica. Os parâmetros apropriados de coeficientes de polinômio, dAv e Std d devem ser utilizados para o valor de d no cálculo. Os parâmetros do primeiro segmento são utilizados para d < 1,52 [mm/giro] e os parâmetros de segundo segmento são utilizados para d £ 1,52 [mm/giro]. Desse modo, para calcular torque em uma estrutura de corte no valor válido conhecido de d o algoritmo somente necessita conhecer WOB ou WOR para o caso em mão a partir da análise de peso anterior: Onde o torque na estrutura de corte de broca (TOB) é mostrado para o peso em broca (WOB) aplicado à broca no caso dado, configuração e WSYS. Uma equação similar é utilizada para calcular o torque em uma estrutura de corte de alargador (TOR) utilizando os coeficientes de polinômio da curva de característica de alargador, e substituindo TOB com TOR e WOB com WOR nas equações acima. O torque de sistema TSYS é determinado por somar os torques de todas as estruturas de corte na BHA como anteriormente discutido. Nesse exemplo onde o sistema contém uma broca e uma estrutura de corte de alargador: TSYS [joules] = TOB [joules] + TOR(s) [joules] Além disso, após o valor válido de d ser determinado para o caso, configuração e WSYS ser direto para calcular o ROP e duração para aquele cenário utilizando o valor de RPM entrado na tela de Parâmetros de perfuração (figura 18) e o comprimento perfurado do caso, onde: ROP[mm/h] = RPM [giro/min] x d [mm/giro] x (60[min/h]/ 12[mm/mm] DURATIONfh] = Caselength [mm]/ROP [mm/h] Os comprimentos de caso para uma dada configuração e WSYS são somados para todos os casos (comprimento total perfurado) e divididos pela soma de todas as durações (tempo total para perfurar) para fornecer um ROP geral. Esse valor ROP geral é ajustado igual ao índice de desempenho para aquele cenário. Outras medidas de índice de desempenho poderíam ser utilizadas em vez de ou além disso: razões de WOB/WOR preferidas ou faixa de razões, valores de WOB preferidos ou faixa, valores de WOR preferidos ou faixa, valores d preferidos ou faixa, valores de torque preferidos ou faixa, energia específica mais baixa exigida, e similares. O índice de desempenho pode ser representado com um símbolo em um gráfico, por exemplo, a figura 19 ilustra o display de desempenho relativo de cada configuração, em cada “peso no sistema." Na figura 19, mais elevado na tela reflete melhor desempenho (por exemplo, ROP). Além disso, um esquema de cores pode ser utilizado para identificar conformidade com limitações. Por exemplo, símbolos verdes podem ser utilizados se a configuração não violar nenhuma limitação em qualquer ponto na litologia, nos parâmetros de perfuração dados (em particular, peso no sistema). Inversamente, símbolos vermelhos são utilizados para indicar que uma ou mais limitações são violadas. Além disso, alguns símbolos podem representar condições “inválidas”, aquelas onde houve um problema de computação ou onde os resultados de modelo excedem condições fisicamente possíveis (como profundidade excessiva de avanço por giro, d), símbolos inválidos, quando ocorrem, recebem uma cor cinza e são colocados na parte inferior do gráfico de índice de desempenho, figura 19 em uma área segregada que é rotulada “Inválida.” Se a configuração violar uma limitação em qualquer caso através da litologia, uma indicação daquela violação (símbolo vermelho) pode ser exibida. Se a configuração passar todo caminho através de todas as análises de caso sem violar nenhuma limitação, um símbolo verde é exibido. Os símbolos podem ser “clicados” para exibir mais informações detalhadas, como determinar quais casos poderíam violar uma limitação e por que.

Por conseguinte, quando um símbolo vermelho identifica que uma limitação é violada, o programa de computador permite ao usuário investigar e obter informações adicionais em relação à violação. Por exemplo, na figura 20, o usuário moveu um cursor sobre um símbolo vermelho para determinar o que causou a violação. Por exemplo, o usuário pode identificar que a carga no bit (WOB) é demasiadamente baixa no caso 4; a carga em alarga-dor (WOR) é demasiadamente baixa no caso 4; e a carga na broca (WOB) é demasiadamente baixa no caso 5. O programa de computador também fornece os valores que violaram a(s) limitação(ões) bem como o valor da(s) limitação(ões) para permitir ao usuário avaliar a significância da violação.

De acordo com os ensinamentos da presente invenção, uma quantidade substancial de informações é disponível, em relação a cada configuração de BHA. Por exemplo, a interface de usuário pode ser utilizada para exibir (i) partilha de peso entre estruturas de corte (WOB, WOR e percentagem de WSYS); (ii) partilha de torque entre estruturas de corte (TOB, TOR e percentagem de TSYS); e/ou (iii) locais de ponto neutro ao longo da BHA.

Para partilha de peso, a figura 21 ilustra o instantâneo de tela que um usuário obtém a partir de “clicar” no símbolo verde mais elevado da figura 19. Esse gráfico de distribuição de peso é dividido nos casos definidos pela litologia e locais de estrutura de corte. Cada caso tem uma linha ou quadrado em volta do mesmo criando fileiras de casos empilhadas no topo entre si através da litologia. Por mover o cursor para um dos casos, a interface de usuário ilustra a distribuição de peso entre a broca e alargador para aquele caso. Nos ensinamentos da presente invenção, a interface de usuário poderia exibir a distribuição de percentagem em peso. Como ilustrado na figura 21, cada “caso” é definido por uma alteração em litologia no alargador ou broca. A litologia específica experimentada pela broca ou alargador é ilustrada em duas colunas no lado direito da figura 21.

De acordo com uma modalidade específica da presente invenção, uma coluna lito-lógica de resistência de rocha σ é definida pelo usuário por intervalo de profundidade. Em modalidades alternativas, essa informação pode ser derivada de outras fontes como perfis derivados de modelagem (vide software SPARTA™, disponível da Halliburton) e monitoração de perfil em “tempo real” (vide software INSITE™, disponível da Halliburton). Múltiplas estruturas de corte em uma BHA significa que haverá intervalos onde todas as estruturas de corte podem estar na rocha tendo resistência igual ou substancialmen-te similar, porém frequentemente as estruturas de corte estarão em rocha tendo resistências de rocha diferentes. Os ensinamentos da presente revelação empregam um programa de computador que divide os intervalos de profundidade em casos ou incrementos de litologia consistente (mesmo se as estruturas de corte estiverem em rochas diferentes) para fins de análise.

Para partilha de torque, a figura 22 é similar à figura 21, porém exibe a distribuição de torque no lugar de distribuição de peso. Desse modo, por mover o cursor através dos casos diferentes da figura 22, o usuário pode identificar informações em relação a torque em broca, torque em alargador e/ou torque em sistema, para cada caso.

Para locais de ponto neutro, a figura 23 e a figura 25 são ilustrativas. Um ponto neutro é uma posição ao longo da estrutura de corpo de BHA (não a estrutura de corte) onde a carga axial efetiva não está em tensão nem em compressão - tipicamente o ponto de cruzamento entre tensão e comissão. Por exemplo, uma BHA pendurada verticalmente a partir da parte inferior estará em tensão (zero na parte inferior da broca). Quando a broca é colocada na parte inferior com certa quantidade de peso, o comprimento de BHA a partir da broca para cima que é igual aquela WOB está em compressão; acima daquele ponto está em tensão. A transição é mencionada como o “ponto neutro.” Múltiplas estruturas de corte em uma BHA podem levar a múltiplos pontos neutros, como peso tomado por cada estrutura de corte cria uma descontinuidade compressiva na BHA. Se a descontinuidade compressiva for maior do que a tensão que existe (se tensão existir), então um ponto neutro existirá no corpo de BHA perto da estrutura de corte, e um ponto neutro adicional pode existir acima da estrutura de corte â medida que a BHA se desloca de volta novamente de compressão para tensão. Uma BHA com uma broca e um alar-gador pode ter até três pontos neutros: (i) um entre a broca e alargador; (ii) um adjacente à estrutura de corte de alargador; e (iii) um acima da estrutura de corte de alargador. Recomendações com relação ao desejo de um ponto neutro na estrutura de corte de alargador VS. Tensão VS. Compressão pode ser valiosa na seleção de uma configuração dada. A expressão mais simples de local de ponto neutro é para uma BHA vertical com uma broca no ar: Onde Lnp é o comprimento da parte inferior da broca até o local do ponto neutro na BHA acima da broca em metros; WOB é o peso em broca em quilos; ω é o peso linear da BHA em kg/m de comprimento. A BHA é tipicamente imersa em um fluido de perfuração que é mais peado do que ar, desse modo um efeito de flutuação ocorre que reduz eficazmente o peso da BHA pelo peso do fluido de perfuração deslocado pela BHA. O peso linear efetivo da BHA em fluido de perfuração é: Onde ω’ é o peso linear efetivo da BHA em fluido de perfuração em kg/m de comprimento; pmud é a densidade do fluido de perfuração em kg por 3,79 litros variando tipicamente de aproximadamente 0,84 [kg/ litros] para fluido de perfuração de base de óleo até 2,4 [kg/ litros] para fluido de perfuração muito denso; e pBha é a densidade do material de BHA, tipicamente aço com uma densidade de aproximadamente 7,73 [kg/l] que é aproxima- damente igual a 7,76 [kg/ litros]. Outros materiais de BHA podem ser utilizados como alumínio e titânio que têm uma densidade mais baixa do que aço, ou cobre de berílio ou tungstê-nio pesando em um colar de perfuração que tem densidade mais elevada do que aço.

Desse modo a expressão para o local de ponto neutro para uma BHA vertical com uma broca em fluido de perfuração é: onde ω’ foi substituído por to.

Essa equação é adicionalmente modificada para responder pela inclinação, Θ, ou desvio do furo de poço/BHA a partir da vertical em graus. Quando o furo do poço é desviado da vertical, o componente efetivo de peso de BHA por metro ao longo do eixo geométrico de BHA em fluido de perfuração é co’COS(0). Desse modo, a expressão do local de ponto neutro em uma BHA com uma broca em fluido de perfuração é: A utilidade dessa expressão se torna menos útil em inclinações elevadas que se aproximam de 90 [graus]. Nesse evento, o ponto neutro calculado excede o comprimento de uma BHA típica e a aplicação dessa expressão está além do escopo de uso pretendido.

Essa expressão mencionada por último de ponto neutro é válida para uma BHA com uma broca. Também é válida para uma BHA contendo tanto uma broca como um alar-gador acima da broca para determinar o local de ponto neutro entre a broca e o alargador. Se o WOB exceder o peso efetivo da BHA entre a broca e alargador (respondendo por flutuação e inclinação), então o comprimento total de BHA entre a broca e alargador está em compressão e nenhum ponto neutro existe nesse vão de BHA. A expressão da força axial ao longo da BHA é: Onde F é a força axial na BHA em quilos em uma distância L em metros acima da broca. Essa expressão é válida para uma BHA com uma broca. Também é válido para uma BHA contendo tanto uma broca como um alargador acima da broca para determinar a força axial na BHA entre a broca e alargador. Se F for negativo em uma distância L acima da broca, a BHA está em compressão naquele local. Se F for positivo em uma distância L acima da broca, a BHA está em tensão naquele local. Se F for igual a zero em uma distância L acima da broca, então esse local está em um ponto neutro na BHA. Essa expressão básica permite o cálculo e traçado das curvas na figura 23 e figura 23 e informa ao usuário o estado de força axial ao longo da BHA. Observe que entre a broca e alargador, a força F somente depende do WOB e o peso efetivo da BHA entre a broca e alargador. Essa força F não depende do WOR ou do peso da BHA acima do alargador.

Em uma BHA com uma broca e um alargador, na estrutura de corte de alargador, o WOR que é aplicado pela BHA cria uma descontinuidade compressiva na BHA próximo à estrutura de corte de alargador igual em magnitude ao WOR. Se a BHA estiver em tensão logo abaixo da estrutura de corte de alargador, a BHA pode fazer transição rapidamente para compressão próxima à estrutura de corte se o WOR exceder o estado de tensão. Se o BHA estiver em compressão logo abaixo da estrutura de corte de alargador, a BHA ficará mais em compressão próximo à estrutura de corte devido ao WOR. Acima desse ponto, a força FAr na BHA acima do alargador é expressa por: Onde FAr é a força axial na BHA em quilos em uma distância LAr em metros acima da broca: ío’Ar θ o»’Br são os pesos lineares efetivos da BHA em fluido de perfuração acima e abaixo do alargador respectivamente; Θ é o furo de poço ou inclinação de BHA em graus; Lream é a distância em metros a partir da broca até a estrutura de corte de alargador; e WSYS é o peso no sistema em quilos. O ajuste de FAr igual a zero permite a localização de um ponto neutro acima do alargador ser calculado como: Onde Lrpar é o valor de LAr no local do ponto neutro acima do alargador em metros. Essa equação é somente válida quando LNPAr é maior do que Lream- Se a BHA estiver em compressão na estrutura de corte de alargador, outro ponto neutro pode existir acima do alargador à medida que BHA move de compressão para tensão, Para que isso aconteça, o WSYS aplicado tem de ser maior do que o peso da BHA abaixo do alargador. A figura 23 ilustra pontos neutros da BHA, caso haja. Como ilustrado na figura 23, a BHA inteira está em compressão (isto é, sem “ponto neutro” - ponto onde a curva cruza o eixo geométrico x). Pode não ser desejável ter esse caso onde a BHA inteira esteja em compressão, e portanto um usuário pode optar por remover essa configuração de consideração. A figura 25 ilustra pontos neutros associados a uma BHA que viola limitações em um peso mais baixo no sistema, onde WSYS = 5102,9 [kg]. Três pontos neutros são ilustrados para uma curva específica para o caso 2 (a curva mais superior) para uma BHA contendo uma broca e um alargador localizado 30,48 [metros] acima da broca. Nesse caso, o WOB é igual a 3223,7 [kg] e aquela quantidade de compressão existe na BHA na parte inferior da broca. Movendo para cima a BHA a partir da broca, menos compressão é observada até que finalmente a curva cruza o eixo geométrico x em tensão em uma distância de 26,52 [metros] acima da broca. Continuando para cima a partir da broca acima 26,52[metros], a BHA move adicionalmente em tensão. Um pouco mais elevado a 30,48 [metros] acima da broca, a estrutura de corte de alargador toma o WOR de 1879,2 [kg] e uma descontinuidade compressiva dessa magnitude existe no corpo do alargador (parte da BHA) próximo à estrutura de corte. Essa descontinuidade compressiva é grande o bastante para exceder 470,8 [kg] de tensão que de outro modo existiría nesse local na BHA. À medida que a curva cruza o eixo geométrico x novamente, dessa vez movendo em 1408,4 [kg] de compressão, outro ponto neutro é criado na BHA a 30,48 [metros] acima da broca. Movendo adicionalmente para cima na BHA acima de 30,48 [metros], menos compressão é observada até que a curva novamente cruze o eixo geométrico x, criando um terceiro ponto neutro na BHA a 42,06 [metros] acima da parte inferior da broca. A figura 24 ilustra detalhe adicional em relação a violações de limitação para um dado caso. Após o usuário clicar em um símbolo vermelho para obter informações em relação às violações, o usuário pode obter essa tela. Esse instantâneo de tela ilustra a distribuição de peso da BHA, e ilustra mais detalhe sobre a violação de limitação do Caso 5 da lito-logia dessa configuração específica e peso de sistema aplicado.

Funcionalidade adicional incluída no programa de computador é a capacidade de salvar arquivos contendo configurações, litologia, e parâmetros de perfuração que são entrados no programa. Os arquivos podem ser então carregados no programa à vontade em vez do usuário entrar novamente as informações. Também é desejável projetar arquivos contendo todas as informações entradas para um projeto a ser salvo e recarregado.

Um dos muitos usos do programa de computador é ajudar a obter desenhos de broca e/ou estruturas de corte de alargador que atendem a critérios de desempenho desejados. Por exemplo, pode ser desejado obter certa razão de WOB/WOR, tal WOB/WOR =1,0 onde a distribuição de peso entre a broca e alargador é próxima a igual sob um conjunto dado de condições. O programa de computador permite que o usuário analise o resultado dos desenhos das duas estruturas de corte e determinar em qual direção uma ou ambas as estruturas de corte podería ser alterada para atender o resultado desejado. Por exemplo, se WOB/WOR = 2,0, porém o resultado desejado é WOB/WOR = 1,0, o usuário pode determinar que a broca esteja tomando uma proporção maior do peso do sistema. A alteração do desenho da estrutura de corte de broca para tornar a perfuração mais rápida e/ou alteração do desenho da estrutura de corte de alargador para tornar a perfuração mais lenta ajudará realizar o resultado desejado. Após a(s) estrutura(s) de corte ser(em) redesenhada(s) (utilizando IBitS ou IReamS), terá uma nova curva de característica e os coeficientes polinomiais podem ser adicionados ao banco de dados. O desempenho da(s) estrutura(s) de corte rede- senhada(s) pode ser reanalisado utilizando o programa de computador para ver se aproxima o resultado desejado. Esse processo pode ser repetido como necessário até que o resultado desejado seja obtido.

Por armazenar coeficientes dos ajustes de curva de característica no banco de dados de estrutura de corte, cálculo extremamente rápido do índice de desempenho (ROP), WOB, WOR, TOB, TOR podem ser realizados para cada configuração e caso. Essa velocidade de execução permite o cálculo de milhares de casos em alguns segundos, tornando o algoritmo muito útil para encontrar configurações que sejam apropriadas e não violem nenhuma limitação, ou não violem substancialmente nenhuma limitação.

Os sistemas, métodos, algoritmos e/ou software descritos nessa revelação podem ser incorporados em um sistema de computador 100, por exemplo, como ilustrado na figura 30. O sistema de computador 100 inclui uma interface de comunicação 102 que é configurada e operável para receber dados, um(uns) processador(es) 104 para processar dados, meio legível por computador tangível (por exemplo, memória) 106 para armazenar dados, e uma interface gráfica de usuário (por exemplo, display) 108 para uso por um usuário(s) do sistema 130.

Os ensinamentos da presente revelação fornecem um sistema e método para identificar um ou mais sistemas de BHA que podem ser apropriados para uma aplicação específica. Em algumas modalidades, um usuário pode optar por obter ainda mais detalhe em relação a tais sistemas por analisar essas poucas configurações selecionadas (de muitos) em um software de modelagem (por exemplo, IBits e IReams), armado com novo conhecimento das cargas aplicadas.

Claims (23)

1 .Método, CARACTERIZADO por compreender: receber critérios de seleção de estrutura de corte, os critérios de seleção de estrutura de corte selecionados do grupo que consiste em série de broca, classe de broca, aplicação de broca, tecnologia de broca, contagem de lâmina de broca, tamanho de cortador de broca, formato de perfil de broca, diâmetro de broca, tipo de chanfro de broca, tamanho de chanfro de broca, número de material de broca, tipo de broca, número de estrutura de corte de broca, tipo de alargador, corpo de alargador, diâmetro de abertura de alargador, diâmetro de furo piloto de alargador, contagem de braço de alargador, contagem de lâmina de alargador, layout de alargador, tamanho de corte de alargador, número de material de alargador, nome de projeto de alargador, tamanho de conexão e tipo de conexão; exibir uma pluralidade de estruturas de corte para um usuário que atendem alguns ou todos os critérios de seleção de estrutura de corte; receber uma seleção do usuário, a seleção incluindo uma pluralidade das estruturas de corte exibidas para comparação; comparar cada estrutura de corte da seleção, utilizando curvas de característica respectivas, as curvas de característica sendo baseadas em peso ou baseadas em torque; e exibir resultados da comparação para o usuário.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda receber informações de litologia em relação a uma formação de terra, e em que a comparação de cada estrutura de corte da seleção compreende prever desempenho relativo de cada estrutura de corte da seleção, com relação ás informações de litologia.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda receber uma pluralidade de limitações para um poço proposto, e em que a exibição de resultados da comparação para o usuário inclui identificar cada estrutura de corte da seleção que viola uma ou mais das limitações.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada curva de característica compreende uma curva de característica baseada em peso inclui variar um peso na estrutura de corte como uma função de uma taxa de penetração da estrutura de corte respectiva.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada curva de característica compreende uma curva de característica baseada em torque incluindo variar um torque na estrutura de corte como uma função de uma taxa de penetração da estrutura de corte respectiva.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada curva de característica compreende: uma curva de característica baseada em peso incluindo variar um peso na estrutura de corte como uma função de uma taxa de penetração da estrutura de corte respectiva; e uma curva de característica baseada em torque incluindo variar um torque na estrutura de corte como uma função de uma taxa de penetração da estrutura de corte respectiva.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada curva de característica compreende um ajuste de curva bidimensional que estima valores de desempenho das estruturas de corte respectivas através de uma faixa de taxas de penetração respectivas.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o ajuste de curva bidimensional compreende uma curva polinomial.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que cada curva de característica é recuperada para comparação utilizando os coeficientes do ajuste de curva.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada curva de característica é derivada de dados de desempenho que são derivados de uma pluralidade de tipos diferentes de informações selecionadas do grupo que consiste em modelos de computador, medições efetivos de fundo de poço, medições efetivas de superfície e dados de marketing.

11 .Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a comparação de cada estrutura de corte da seleção utilizando a curva de característica respectiva compreende utilizar as curvas de característica respectivas para comparar uma primeira montagem de furo inferior que inclui uma estrutura de corte específica, com uma segunda montagem de furo inferior.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda montagem de furo inferior inclui uma broca de perfuração.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda montagem de furo inferior inclui uma broca de perfuração e um alargador.

14. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira estrutura de corte é associada a uma primeira broca de perfuração e a primeira montagem de furo inferior compreende ainda um primeiro alargador, e a segunda montagem de furo inferior inclui uma segunda broca de perfuração.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda montagem de furo inferior compreende ainda um segundo alargador.

16. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira montagem de furo inferior compreende uma primeira broca de perfuração de um primeiro diâmetro, e a segunda montagem de furo inferior compreende uma segunda broca de perfuração de um segundo diâmetro que não é igual ao primeiro diâmetro.

17. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira montagem de furo inferior compreende uma broca de perfuração e um alargador, e compreendendo ainda: calcular peso na broca como uma função de peso na primeira montagem de furo inferior; e calcular peso no alargador como uma função de peso na primeira montagem de furo inferior.

18. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira montagem de furo inferior compreende uma broca de perfuração e um alargador, e compreendendo ainda: exibir peso na broca como uma função de peso na primeira montagem de furo inferior; e exibir peso no alargador como uma função de peso na primeira montagem de furo inferior.

19. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda calcular uma pluralidade de locais de ponto neutro ao longo da primeira montagem de furo inferior.

20. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda exibir uma pluralidade de locais de ponto neutro ao longo da primeira montagem de furo inferior.

21 .Sistema, CARACTERIZADO por compreender: uma interface sendo operável para receber critérios de seleção de estrutura de corte, os critérios de seleção de estrutura de corte selecionados do grupo que consiste em série de broca, classe de broca, aplicação de broca, tecnologia de broca, contagem de lâmina de broca, tamanho de cortador de broca, formato de perfil de broca, diâmetro de broca, tipo de chanfro de broca, tamanho de chanfro de broca, número de material de broca, tipo de broca, número de estrutura de corte de broca, tipo de alargador, corpo de alargador, diâmetro de abertura de alargador, diâmetro de furo piloto de alargador, contagem de braço de alargador, contagem de lâmina de alargador, layout de alargador, tamanho de corte de alargador, número de material de alargador, nome de projeto de alargador, tamanho de conexão e tipo de conexão; uma interface gráfica de usuário sendo operável para exibir uma pluralidade de estruturas de corte para um usuário que atende alguns ou todos os critérios de seleção de estrutura de corte; a interface sendo adicionalmente operável para receber uma seleção do usuário, a seleção incluindo uma pluralidade das estruturas de corte exibidas para comparação; um processador sendo operável para comparar cada estrutura de corte da seleção, utilizando curvas de característica respectivas, as curvas de característica sendo baseadas em peso ou baseadas em torque; e a interface gráfica de usuário sendo adicionalmente operável para exibir resultados da comparação para o usuário.

22.Sistema, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que a interface é adicionalmente operável para receber informações de litologia em relação a uma formação de terra, e em que a comparação de cada estrutura de corte da seleção compreende prever desempenho relativo de cada estrutura de corte da seleção, com relação às informações de litologia.

23.Sistema, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que a interface é adicionalmente operável para receber uma pluralidade de limitações para um poço proposto, e em que a exibição de resultados da comparação para o usuário inclui identificar cada estrutura de corte da seleção que viola uma ou mais das limitações.