BRPI0212667B1 - sistema de perfuração e método para perfurar um furo de poço - Google Patents

Abstract

"sistema e método de pressão de fundo de poço controlada ativa". a presente invenção refere-se a um sistema de perfuração de furo de poço que possui uma seção umbilical que porta uma sonda perfuratriz em um furo de poço. o fluido de perfuração bombeado para a seção umbilical descarrega no fundo de sonda perfuratriz e retorna através de um espaço anular entre a seção umbilical e o furo de poço, carregando detritos de perfuração aprisionados. um dispositivo de diferencial de pressão ativa (dispositivo de apd), tal como uma bomba a jato, turbina ou bomba centrífuga, em comunicação com o fluido de retorno, produz um diferencial de pressão através do dispositivo, que altera a pressão abaixo ou no fundo de poço do dispositivo. o dispositivo de apd pode ser acionado por um motor de deslocamento positivo, uma turbina, um motor elétrico ou um motor hidráulico. um controlador controla a operação do dispositivo de apd em resposta a instruções programadas e/ou um ou mais dos parâmetros de interesse detectados por um ou mais sensores. um sistema preferido é um sistema de laço fechado que mantém o furo de poço em uma condição abaixo do equilíbrio, condição em equilíbrio ou condição além do equilíbrio.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE PERFURAÇÃO E MÉTODO PARA PERFURAR UM FURO DE POÇO". ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Campo da Invenção A presente invenção refere-se, de um modo geral, a sistemas de perfuração de furo de poço de campo de óleo e mais particularmente, a sistemas de perfuração que utilizam controle ativo de pressão de fundo de poço ou densidade circulante equivalente durante a perfuração de furos de poço. Fundamento da Técnica Os furos de poço de campo de óleo são perfurados girando uma sonda perfuratriz conduzida para dentro do furo de poço por uma coluna de perfuração. A coluna de perfuração possui um tubo de perfuração (tubulação) dotado, na sua extremidade de fundo, de um conjunto de perfuração (também referido como o “conjunto de fundo de poço” ou “BHA” que carrega a sonda perfuratriz para perfurar o furo de poço. O tubo de perfuração e feito de tubos interligados. Alternativamente, uma tubulação bobinada pode ser utilizada para carregar o conjunto de perfuração. O conjunto de perfuração usualmente possui um motor de perfuração ou um “motor de lama” que gira a sonda perfuratriz. O conjunto de perfuração compreende ainda uma variedade de sensores para efetuar medições de uma variedade de parâmetros de perfuração, formação e BHA. Um fluido de perfuração adequado (referido comumente como a “lama”) é fornecido ou bombeado sob pressão a partir de uma fonte na superfície para baixo da tubulação. O fluido de perfuração aciona o motor de lama e em seguida descarrega no fundo da sonda perfuratriz. O fluido de perfuração retorna para cima do furo através do espaço anular entre a coluna de perfuração e o furo de poço no seu interior e carrega com ele pedaços de formação (referidos comumente como os “detritos”) cortados ou produzidos pela sonda perfuratriz na perfuração do furo de po-ço.

Na perfuração de furos de poço debaixo d’água (conhecida na indústria como perfuração “costa afora” ou “submarina”) é instalada uma tubulação em uma estação de trabalho (localizada em uma embarcação ou plataforma). Um ou mais injetores ou gabaritos de tubulação são usados para mover a tubulação para dentro e para fora do furo de poço. Na perfuração do tipo de tubo ascendente, um tubo ascendente, formado pela junção de seções de revestimento ou tubo, é instalado entre a embarcação de perfuração e o equipamento de cabeça de poço no fundo do mar e é utilizado para guiar a tubulação para a cabeça de poço. O tubo ascendente serve também de condutor de fluido que retorna a partir da cabeça de poço para a superfície do mar.

Durante a perfuração, o operador de perfuração procura controlar cuidadosamente a densidade de fluido na superfície, de modo a controlar a pressão no furo de poço, inclusive a pressão de fundo de poço. Tipicamente, o operador mantém a pressão hidrostática do fluido de perfuração no furo de poço acima da pressão de formação ou dos poros a fim de evitar explosão de poço. A densidade do fluido de perfuração e a taxa de escoamento de fluido determinam em grande parte a eficácia do fluido de perfuração para carregar os detritos até a superfície. Um parâmetro de furo de poço importante controlado durante a perfuração é a pressão de fundo de poço, a qual, por sua vez, controla a densidade circulante equivalente (“ECD”) do fluido no fundo do furo de poço.

Este termo, ECD, descreve a condição que ocorre quando a lama de perfuração circula. A pressão de atrito causada pela circulação de fluido através do furo aberto e do(s) revestimento(s) no seu trajeto de volta para a superfície, provoca um aumento do perfil de pressão ao longo desta trajetória que é diferente do perfil de pressão quando o poço está em uma condição estática (ou seja, sem circular). Além do aumento de pressão durante a circulação, há um outro aumento de pressão durante a perfuração, causado pela introdução de sólidos de perfuração no fluido. Este efeito negativo do aumento de pressão ao longo do espaço anular do poço é um aumento da pressão que pode fraturar a formação na sapata do último revestimento. Isto pode reduzir a quantidade de furo que pode ser perfurada antes de ser preciso assentar um revestimento adicional. Além disto, a velocidade de circulação que pode ser obtida também é limitada. Além disso, devido a este aumento de pressão circulante, a capacidade de limpar o furo é seriamente restrita. Esta condição é exacerbada na perfuração de um poço costa afora. Nos poços costa afora, a diferença entre as pressões de fratura nas seções rasas do poço e as pressões dos poros das seções mais profundas é consideravelmente menor em comparação com os furos de poço na costa. Isto se deve ao gradiente de água do mar em relação ao gradiente que existiría se houvesse sobrecarga de solo para a mesma profundidade.

Em algumas aplicações de perfuração, pretende-se perfurar o furo de poço em uma condição balanceada ou abaixo do equilíbrio. O termo balanceado significa que a pressão no furo de poço é mantida na pressão de formação ou próxima da mesma. A condição abaixo do equilíbrio significa que a pressão de furo de poço está abaixo da pressão de formação. Estas duas condições são vantajosas porque o fluido de perfuração nestas condições não penetra na formação, deste modo deixando virgem a formação para executar testes e medições de avaliação de formação. A fim de poder perfurar um poço até uma profundidade de furo de poço total no fundo do poço, a ECD precisa ser reduzida ou controlada. Em poços submarinos, uma abordagem consiste em usar um tubo ascendente enchido de lama para formar um sistema de circulação de fluido submarino utilizando a tubulação, o BHA, o espaço anular entre a tubulação e o furo de poço e o tubo ascendente enchido de lama e em seguida injetar gás (ou algum outro líquido de baixa densidade) no fluido de perfuração primário (tipicamente no espaço anular adjacente ao BHA) para reduzir a densidade de fluido a jusante (ou seja, no restante do sistema de circulação de fluido). Esta abordagem conhecida como de “densidade dupla” é freqüentemente referida como tubulação com fluidos compressíveis.

Um outro método para mudar o gradiente de densidade em uma trajetória de fluido de retorno em águas profundas foi proposto, porém não foi usado em aplicação prática. Esta abordagem propõe empregar um tanque, tal como um saco elástico, no leito do mar, para receber fluido de retorno a partir do espaço anular de furo de poço e mantê-lo na pressão hidrostá-tica da água no leito do mar. Independentemente do fluxo no espaço anular, uma linha de retomo separada, ligada ao tanque de armazenagem no leito do mar e a uma bomba de elevação submarina, conduz o fluido de retorno para a superfície. Embora esta técnica (que é referida como tubulação de “gradiente duplo”) utilize um único fluido, exige também uma descontinuida-de na linha de gradiente hidráulico entre o tanque de armazenagem de leito do mar e a bomba de elevação submarina. Isto exige monitoramento e controle rigorosos da pressão no tanque de armazenagem de leito do mar, da pressão d’água hidrostática submarina, da operação de bomba de elevação submarina e da bomba de superfície que fornece fluidos de perfuração sob pressão para a tubulação para fluxo no fundo do poço. O nível de complexidade da instrumentação e dos controles submarinos exigidos, assim como a dificuldade de disposição do sistema tem retardado (se não evitado, no geral) a aplicação prática do sistema de “gradiente duplo”.

Uma outra abordagem está descrita no Pedido de Patente US de N° 09/353.275, depositado em 14 de julho de 1999 e cedido ao cessionário do presente pedido de patente. O Pedido de Patente US de N° 09/353.275 é incorporado integralmente ao presente por referência. Uma modalidade desse pedido descreve um sistema sem tubo ascendente no qual uma bomba centrífuga em uma linha de retorno separada controla o escoamento de fluido para a superfície e, consequentemente, a densidade circulante equivalente. A presente invenção apresenta um sistema de furo de poço no qual a pressão de fundo de poço e portanto a densidade circulante equivalente são controladas produzindo um diferencial de pressão em um local selecionado na trajetória de fluido de retorno com um dispositivo de diferencial de pressão ativo para reduzir ou controlar a pressão de fundo de poço. O presente sistema é relativamente fácil de incorporar tanto em sistema novos como nos já existentes.

Sumário da Invenção A presente invenção apresenta sistemas de furo de poço para executar operações de descida em furo de poço para furos de poço tanto em terra como costa afora. Tais sistemas de perfuração incluem um gabarito que move uma seção umbilical (por exemplo, uma coluna de perfuração) para dentro e para fora do furo de poço. Um conjunto de fundo de poço, que carrega a sonda perfuratriz, está fixado à extremidade inferior da coluna de perfuração. Um conjunto ou equipamento de controle de poço sobre o poço recebe o conjunto de fundo de poço e a tubulação. Um sistema de fluido de perfuração supre um fluido de perfuração à tubulação, que descarrega na sonda perfuratriz e retorna para o equipamento de controle de poço que carrega os detritos de perfuração através do espaço anular entre a coluna de perfuração e o furo de poço. Um tubo ascendente disperso entre o equipamento de cabeça de poço e a superfície guia a coluna de perfuração e proporciona um conduto para mover o fluido que volta para a superfície.

Em uma modalidade da presente invenção, um dispositivo diferencial de pressão ativa se move no furo de poço à medida que a coluna de perfuração é movida. Em uma modalidade alternativa, o dispositivo de diferencial de pressão passiva está fixado ao furo de poço por dentro ou à parede, e permanece estacionário em relação ao furo de poço durante a perfuração. O dispositivo é operado durante a perfuração, ou seja, quando o fluido de perfuração está circulando através do furo de poço, para produzir um diferencial de pressão através do dispositivo. Este diferencial de pressão altera a pressão sobre o furo de poço abaixo ou no fundo do poço do dispositivo. O dispositivo pode ser controlado para reduzir a pressão de fundo de poço de uma quantidade determinada, para manter a pressão de fundo de poço em um valor determinado ou dentro de uma faixa determinada. Mediante o corte ou restrição do fluxo através do dispositivo, a pressão de fundo de poço pode ser aumentada. O sistema compreende ainda dispositivos de fundo de poço para executarem uma variedade de funções. Dispositivos de fundo de poço e-xemplificativos incluem dispositivos que controlam a taxa de escoamento e as trajetórias de escoamento de perfuração. Por exemplo, o sistema pode incluir um ou mais dispositivos de controle de fluxo que podem interromper o fluxo do fluido na coluna de perfuração e/ou no espaço anular. Tais dispositivos de controle de fluxo podem ser configurados para dirigir o fluido na colu- na de perfuração para dentro do espaço anular e/ou desviar fluido de retorno em torno do dispositivo APD (diferencial de pressão ativa). Um outro dispositivo de fundo de poço exemplificativo pode ser configurado para processar os detritos (por exemplo, redução do tamanho dos detritos) e outros resíduos que escoam no espaço anular. Por exemplo, um dispositivo de trituração pode ser instalado no espaço anular a montante do dispositivo APD.

Em uma modalidade preferida, sensores se comunicam com um controlador através de um sistema de telemetria para manter a pressão de furo de poço em uma zona de interesse a uma pressão ou faixa de pressões selecionada. Os sensores estão colocados estrategicamente por todo o sistema para fornecer informações ou dados relacionados a um ou mais parâmetros de interesse selecionados, tais como parâmetros de perfuração, parâmetros de conjunto de perfuração ou de BHA e parâmetros de formação ou de avaliação de formação. O controlador adequado para as operações de perfuração, de preferência, inclui programas para manter a pressão de furo de poço na zona na condição abaixo do equilíbrio, na condição em equilíbrio ou na condição além do equilíbrio. O controlador pode ser programado para ativar dispositivos de fundo de poço de acordo com instruções programadas ou quando ocorre uma condição específica.

Configurações exemplificativas para o dispositivo APD e acionamento associado incluem uma bomba do tipo Moineau acoplada a um mo-tor/acionamento de deslocamento positivo através de um conjunto de árvore. Uma outra configuração exemplificativa inclui um acionamento de turbina acoplado a uma bomba do tipo centrífugo através de um conjunto de árvore. De preferência, uma vedação de alta pressão separa um fluido de suprimento que escoa através do motor em relação a um fluido de retorno que escoa através da bomba. Em uma modalidade preferida, a vedação está configurada para suportar qualquer uma das forças (de empuxo) radial e axial, ou ambas.

Ainda em outras configurações, um motor de deslocamento positivo pode acionar um dispositivo intermediário, tal como um motor hidráulico, que aciona o dispositivo APD. Alternativamente, pode ser usada uma bomba a jato, que pode eliminar a necessidade de um motor/acionamento. Além disto, as bombas que incorporam um ou mais pistões, tais como bombas de martelo pode também ser adequadas para determinadas aplicações. Ainda em outras configurações, o dispositivo APD pode ser acionado por um motor elétrico. O motor elétrico pode ser posicionado externamente a uma coluna de perfuração ou formado integralmente com uma coluna de perfuração. Em uma modalidade preferida, a variação da velocidade do motor elétrico controla diretamente a velocidade do rotor no dispositivo APD e conseqüente-mente a pressão diferencial através do dispositivo APD.

Dispositivos de derivação são providos para permitir a circulação de fluido no furo de poço durante o disparo do sistema, para controlar a operação de pontos de regulagem do dispositivo APD e/ou motor/acionamento associado e prover um mecanismo de descarga para aliviar a pressão de fluido. Por exemplo, os dispositivos de derivação podem canalizar fluido seletivamente em torno do motor/acionamento e do dispositivo APD e descarregar fluido de perfuração seletivamente a partir da coluna de perfuração para dentro do espaço anular. Em um arranjo, o dispositivo de derivação para a bomba pode funcionar também como uma linha de derivação de partícula para o dispositivo APD. Alternativamente, uma derivação de partícula separada pode ser usada, além da derivação de bomba, para exercer uma tal função. Além disto, uma vedação anular (não-mostrada) em determinadas modalidades pode ser disposta em torno do dispositivo APD a fim de possibilitar um diferencial de pressão através do dispositivo APD.

Exemplos dos aspectos mais importantes da invenção foram resumidos (embora de uma forma um tanto ampla) a fim de que a sua descrição detalhada que é apresentada a seguir possa ser melhor entendida e a fim de que as contribuições à técnica que representam possam ser apreciadas. Existem, naturalmente, outros aspectos da invenção que serão descritos a seguir e que constituirão a matéria das reivindicações anexas ao presente. Descrição Resumida dos Desenhos Para uma compreensão detalhada da presente invenção, faz-se referência à descrição detalhada da modalidade preferida, considerada em conjunto com os desenhos anexos: a Figura 1A é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema que emprega um dispositivo diferencial de pressão ativa para administrar a pressão em um local de furo de poço predeterminado; a Figura 1B ilustra graficamente o efeito de um dispositivo diferencial de pressão ativa operante sobre a pressão em um local de furo de poço predeterminado; a Figura 2 é uma vista esquemática em elevação da Figura 1A após a coluna de perfuração e o dispositivo diferencial de pressão ativa terem se movido de uma distância determinada na formação de terra a partir do local mostrado na Figura 1A; a Figura 3 é uma vista esquemática em elevação de uma modalidade alternativa do sistema de furo de poço no qual o dispositivo diferencial de pressão ativa está fixado ao furo de poço por dentro; as Figuras 4A-D são ilustrações esquemáticas de uma modalidade de uma disposição de acordo com a presente invenção na qual um motor de deslocamento positivo está acoplado a uma bomba de deslocamento positivo (o dispositivo APD); as Figuras 5A e 5B são ilustrações esquemáticas de uma modalidade de uma disposição de acordo com a presente invenção na qual um acionamento de turbina está acoplado a uma bomba centrifuga (o dispositivo APD); a Figura 6A é uma ilustração esquemática de uma modalidade de uma disposição de acordo com a presente invenção na qual um motor elétrico disposto por fora de uma coluna de perfuração está acoplado a um dispositivo APD; e a Figura 6B é uma ilustração esquemática de uma modalidade de uma disposição de acordo com a presente invenção na qual um motor elétrico disposto dentro da coluna de perfuração está acoplado a um dispositivo APD. Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas Com referência inicialmente à Figura 1A, nela está ilustrado es-quematicamente um sistema para executar uma ou mais operações relacio- nadas à construção, registro cronológico dos eventos, terminação ou manutenção de um poço de produção de hidrocarbonetos. Em particular, a Figura 1A mostra uma vista lateral esquemática de uma modalidade de um sistema de perfuração de furo de poço 100 para perfurar um furo de poço 90 usando circulação de fluido de perfuração convencional. O sistema de perfuração 100 é um gabarito para poços em terra e possui uma plataforma de perfuração 101, que pode ser um navio de perfuração ou uma outra estação de trabalho adequada na superfície, tal como uma plataforma flutuante ou um se-mi-submersível para poços costa afora. Para operações costa afora, tipicamente serão usados equipamentos adicionais conhecidos, tais como um tubo ascendente e cabeça de poço submarina. Para perfurar um furo de poço 90, um equipamento de controle de poço 125 (também referido como equipamento de cabeça de poço) é colocado acima do furo de poço 90. O equipamento de cabeça de poço 125 inclui uma pilha protetora contra pressões excessivas 126 e um lubrificador (não-mostrado) com o seu controle de escoamento associado. O sistema 100 compreende ainda uma ferramenta de poço tal como um conjunto de perfuração ou um conjunto de fundo de poço (“BHA”) 135 no fundo de uma seção umbilical adequada, tal como uma coluna de perfuração ou tubulação 121b (tais termos serão usados intercambiavelmen-te). Em uma modalidade preferida, o BHA 135 possui uma sonda perfuratriz 130 adaptada para desintegrar rocha e terra. A sonda pode ser girada por um acionamento rotativo de superfície ou por um motor que emprega fluido pressurizado (por exemplo, motor de lama) ou um motor de acionamento elétrico. A tubulação 121 pode ser formada total ou parcialmente de tubo de perfuração, tubulação bobinada, forro, revestimento ou outras peças conhecidas de metal ou compósitos. Além disto, a tubulação 121 pode incluir portadores de transmissão de dados e de potência, tais como condutos de fluido, condutores de fibra ótica e de metal. Convencionalmente, a tubulação 121 é colocada na plataforma de perfuração 101. Para perfurar o furo de poço 90, o BHA 135 é conduzido a partir da plataforma de perfuração 101 até o equipamento de cabeça de poço 125 e em seguida introduzido no furo de poço 90. A tubulação 121 é movida para dentro e para fora do furo de poço 90 por um sistema adequado de injeção de tubulação.

Durante a perfuração, um fluido de perfuração proveniente de um sistema de lama de superfície 22 é bombeado sob pressão para baixo pela tubulação 121 (um “fluido de suprimento”). O sistema de lama 22 inclui uma cova de lama ou fonte de suprimento 26 ou uma ou mais bombas 28. Em uma modalidade, o fluido de suprimento opera um motor de lama no BHA 135, o qual, por sua vez, gira a sonda perfuratriz 130. A rotação da coluna de perfuração 121 pode também ser usada para girar a sonda perfuratriz 130, seja em conjunto com o motor de lama ou separadamente. A sonda perfuratriz 130 desintegra a formação (rocha) produzindo detritos 147. O fluido de perfuração que sai da sonda perfuratriz se desloca pelo furo acima através do espaço anular 194 entre a coluna de perfuração 121 e a parede ou interior de furo de poço 196, carregando com ele (um “fluido de retorno”) os detritos de perfuração 147. O fluido de retorno descarrega em um separador (não-mostrado), que separa os detritos 147 e outros sólidos a partir do fluido de retorno e descarrega o fluido limpo de volta para a cova de lama 26. Conforme mostra a Figura 1A, a lama limpa é bombeada através da tubulação 121 enquanto a lama com os detritos 147 retorna à superfície através do espaço anular 194 até o equipamento de cabeça de poço 125.

Assim que o poço 90 tiver sido perfurado até uma determinada profundidade, é instalado o revestimento 129 com uma sapata de revestimento 151 no fundo. A perfuração então prossegue para perfurar o poço até uma profundidade desejada que incluirá uma ou mais seções de produção, tais como a seção 155. A seção abaixo da sapata de revestimento 151 pode não ser revestida até que se deseje completar o poço, o que deixa a seção de fundo do poço como um furo aberto, conforme indicado pelo número 156.

Conforme mencionado acima, a presente invenção proporciona um sistema de perfuração para controlar a pressão de fundo de poço em uma zona de interesse designada pelo número 155 e deste modo o efeito de ECD sobre o furo de poço. Em uma modalidade da presente invenção, para administrar ou controlar a pressão na zona 155, um dispositivo diferencial de pressão ativa (“dispositivo APD”) 170 é acoplado fluidicamente a fluido de retorno a jusante da zona de interesse 155. O dispositivo diferencial de pressão ativa é um dispositivo capaz de produzir um diferencial de pressão “ΔΡ” através do dispositivo. Esta queda de pressão controlada reduz a pressão a montante do dispositivo APD 170 e particularmente na zona 155. O sistema 100 compreende ainda dispositivos de fundo de poço que efetuam, separadamente ou em cooperação, uma ou mais funções, tais como controlar a taxa de escoamento do fluido de perfuração e controlar as trajetórias de escoamento do fluido de perfuração. Por exemplo, o sistema 100 pode incluir um ou mais dispositivos de controle de fluxo que podem interromper o escoamento do fluido na coluna de perfuração e/ou no espaço anular 194. A Figura 1A mostra um dispositivo exemplificativo de controle de escoamento 173 que possui um dispositivo 174 que pode bloquear o escoamento de fluido dentro da coluna de perfuração 121 e um dispositivo 175 que bloqueia pode bloquear o escoamento de fluido através do espaço anular 194. O dispositivo 173 pode ser ativado, quando ocorre uma condição específica, para isolar o poço acima e abaixo do dispositivo de controle de escoamento 173. Por exemplo, o dispositivo de controle de escoamento 173 pode ser ativado para bloquear comunicação de escoamento de fluido quando é interrompida a circulação de fluido de perfuração para isolar as seções acima e abaixo do dispositivo 173, deste modo mantendo o furo de poço a-baixo do dispositivo 173 na ou substancialmente na condição de pressão existente antes da circulação de fluido ser interrompida.

Os dispositivos de controle de escoamento 174, 175 podem também ser configurados para controlar seletivamente a trajetória de escoamento do fluido de perfuração. Por exemplo, o dispositivo de controle de escoamento 174 no tubo de perfuração 121 pode ser configurado para dirigir uma parte ou todo fluido na coluna de perfuração 121 para dentro do espaço anular 194. Além disto, um ou ambos os dispositivos de controle de escoamento 174, 175 podem ser configurados para desviar parte ou todo fluido de retorno em torno do dispositivo APD 170. Uma tal disposição pode ser útil, por exemplo, para auxiliar elevar os detritos até a superfície. O dispositivo de controle de escoamento 173 pode incluir válvulas de retenção, obturadores ou qualquer outro dispositivo adequado. Tais dispositivos podem ser ativados automaticamente quando ocorre um evento ou condição específico. O sistema 100 compreende ainda dispositivos de fundo de poço para processar os detritos (por exemplo, redução do tamanho cortante) ou outros resíduos que escoam no espaço anular 194. Por exemplo, um dispositivo de trituração 176 pode ser disposto no espaço anular 194 a montante do dispositivo APD 170 para reduzir o tamanho de detritos e outros resíduos aprisionados. O dispositivo de trituração 176 pode usar peças conhecidas, tais como lâminas, dentes ou roletes para esmagar, pulverizar ou de alguma outra maneira desintegrar detritos e resíduos aprisionados no fluido que escoa no espaço anular 194. O dispositivo de trituração 176 pode ser operado por um motor elétrico, um motor hidráulico por rotação da coluna de perfuração ou outro recurso apropriado. O dispositivo de trituração 176 pode também ser integrado no dispositivo APD 170. Por exemplo, se for usada uma turbina de múltiplos estágios como o dispositivo APD 170, então os estágios adjacentes à entrada da turbina podem ser substituídos por lâminas adaptadas para cortar ou cisalhar partículas antes de passarem através das lâminas dos estágios de turbina restantes.

Sensores Si_n estão posicionados estrategicamente por todo o sistema 100 para fornecer informações ou dados relativos a um ou mais parâmetros de interesse selecionados (pressão, taxa de escoamento, temperatura). Em uma modalidade preferida, os dispositivos 20 e os sensores Si_n se comunicam com um controlador 180 através de um sistema de telemetria (não-mostrado). Aproveitando os dados fornecidos pelos sensores S^.n, o controlador 180 mantém a pressão de furo de poço na zona 155 a uma pressão ou faixa de pressões selecionada. O controlador 180 mantém a pressão selecionada controlando o dispositivo APD 170 (ou seja, ajustando a quantidade de energia adicionada à linha de fluido de retorno) e/ou os dispositivos de fundo de poço (por exemplo, ajustando a taxa de escoamento através de uma restrição tal como uma válvula).

Quando estão configurados para as operações de perfuração, os sensores Si_n fornecem medições relativas a uma variedade de parâmetros de perfuração, tal como pressão de fluido, taxa de escoamento de fluido, velocidade de rotação de bombas e dispositivos semelhantes, temperatura, força na broca, taxa de penetração, etc., parâmetros de conjunto de perfuração ou BHA, tais como vibração, deslizamento de aderência, RPM, inclinação, direção, localização do BHA, etc., e parâmetros de avaliação de formação e formação comumente referidos como parâmetros de medição durante a perfuração, tais como resistividade, acústica, nuclear, RMN, etc. Um tipo preferido de sensor é um sensor de pressão para medir pressão em um ou mais locais. Com referência ainda à Figura 1A, um sensor de pressão Pi fornece dados de pressão no BHA, um sensor P2 fornece dados de pressão no espaço anular, um sensor de pressão P3 no fluido de suprimento e um sensor de pressão P4 fornece dados de pressão na superfície. Outros sensores de pressão podem ser usados para fornecer dados de pressão em qualquer outro local desejado no sistema 100. Além disto, o sistema 100 possui sensores de escoamento de fluido, tal como um sensor V, que fornece medições de escoamento de fluido em um ou mais locais no sistema.

Além disto, a situação e a condição do equipamento, assim como parâmetros relacionados a condições do ambiente (por exemplo, pressão e outros parâmetros relacionados acima) no sistema 100 podem ser monitorados por sensores instalados por todo o sistema 100: locais exempli-ficativos podem estar na superfície (S1), no dispositivo APD 170 (S2), no equipamento de cabeça de poço 125 (S3), no fluido de suprimento (S4), ao longo da tubulação 121 (S5), na ferramenta de poço 135 (S6), no fluido de retorno a montante do dispositivo APD 170 (S7), e no fluido de retorno a jusante do dispositivo APD 170 (S8). Deve ficar entendido que outros locais podem também ser usados para instalação dos sensores Si-n. O controlador 180 para operações de perfuração adequadas, de preferência, possui programas para manter a pressão de furo de poço na zona 155 na condição abaixo do equilíbrio, na condição em equilíbrio ou na condição além do equilíbrio. O controlador 180 possui um ou mais processadores que processam sinais provenientes de diversos sensores no conjunto de perfuração e também controla a sua operação. Os dados fornecidos pelos três sensores Si-n e os sinais de controle transmitidos pelo controlador 180 para controlar dispositivos de fundo de poço, tais como os dispositivos 173-176, são enviados por um sistema de telemetria de duas vias (não-mostrado) adequado. Um processador separado pode ser usado para cada sensor ou dispositivo. Cada sensor pode também possuir circuitos adicionais para as suas operações singulares. O controlador 180, que pode ser ou de fundo de poço ou de superfície, é aqui empregado no sentido genérico por uma questão de simplicidade e facilidade de compreensão e não como uma limitação, porque o uso e operação de tais controladores já são conhecidos na técnica. O controlador 180, de preferência, contém um ou mais microprocessadores ou microcontroladores para processar sinais e dados e para e-xecutar funções de controle, unidades de memória de estado sólido para armazenar instruções programadas, modelos (que podem ser modelos interativos) e dados e outros circuitos de controle necessários. Os microprocessadores controlam as operações dos diversos sensores, fornecem comunicação entre os sensores de fundo de poço e fornecem dados de duas vias e comunicação de sinal entre o conjunto de perfuração 30, dispositivos de fundo de poço, tais como os dispositivos 173-175 e o equipamento de superfície através da telemetria de duas vias. Em outras modalidades, o controlador 180 pode ser um dispositivo hidromecânico que incorpora mecanismos conhecidos (válvulas, peças propelidas, sistemas articulados que cooperam para acionar ferramentas sob, por exemplo, condições preestabelecidas).

Por conveniência, é mostrado um único controlador 180. Deve estar claro, porém, que pode ser usada também uma pluralidade de controladores 180. Por exemplo, um controlador de fundo de poço pode ser usado para coletar, processar e transmitir dados para um controlador de superfície, que processa adicionalmente os dados e transmite sinais de controle apropriados para o fundo de poço. Outras variações para dividir tarefas de processamento de dados e gerar sinais de controle também podem ser usadas.

Entretanto, em geral, durante a operação, o controlador 180 recebe as informações relativas a um parâmetro de interesse e ajusta um ou mais dispositivos de fundo de poço e/ou dispositivo APD 170 para prover a pressão ou faixa de pressões desejada na vizinhança da zona de interesse 155. Por exemplo, o controlador 180 pode receber informações de pressão a partir de um ou mais sensores (Si-Sn) no sistema 100. O controlador 180 pode controlar o dispositivo APD 170 em resposta a um ou mais de: pressão, escoamento de fluido, uma característica de formação, uma característica de furo de poço e uma característica de fluido, um parâmetro medido na superfície ou um parâmetro medido na coluna de perfuração. O controlador 180 determina a ECD e ajusta a entrada de energia no dispositivo APD 170 para manter a ECD em um valor desejado ou predeterminado ou em uma faixa desejada ou predeterminada. O sistema de furo de poço 100 assim proporciona um sistema de laço fechado para controlar a ECD em resposta a um ou mais parâmetros de interesse durante a perfuração de um furo de poço. Este sistema é relativamente simples e eficiente e pode ser incorporado em sistemas de perfuração novos ou existentes e prontamente adaptado para suportar outras atividades de construção, terminação e reparo de poço.

Na modalidade mostrada na Figura 1A, o dispositivo APD 170 aparece como uma turbina fixada à coluna de perfuração 121 que opera dentro do espaço anular 194. Outras modalidades, descritas em mais detalhes abaixo, podem incluir bombas centrífugas, bomba de deslocamento positivo, bombas a jato e outros dispositivos semelhantes. Durante a perfuração, o dispositivo APD 170 move o furo de poço 90 juntamente com a coluna de perfuração 121. O fluido de retorno pode escoar através do dispositivo APD 170 com a turbina operando ou não. No entanto, o dispositivo APD 170, ao ser operado, produz um diferencial de pressão através do mesmo.

Conforme descrito acima, o sistema 100 em uma modalidade inclui um controlador 180 que possui uma memória e periféricos 184 para controlar a operação do dispositivo APD 170, dos dispositivos 173-176 e/ou do conjunto de fundo de poço 135. Na Figura 1A, o controlador 180 é mostrado colocado na superfície. Todavia, pode estar localizado adjacente ao dispositivo APD 170, no BHA 135 ou em qualquer outro local adequado. O controlador 180 controla o dispositivo APD para produzir uma quantidade desejada de ΔΡ através do dispositivo, alterando proporcionalmente a pressão de fundo de poço. Alternativamente, o controlador 180 pode ser programado para ativar o dispositivo de controle de escoamento 173 (ou outros dispositivos de fundo de poço) de acordo com instruções programadas ou na ocorrência de uma condição específica. Conseqüentemente, o controlador 180 pode controlar o dispositivo APD em resposta a dados de sensor relativos a um parâmetro de interesse, de acordo com instruções programadas fornecidas pelo referido dispositivo APD ou em reposta a instruções fornecidas ao referido dispositivo APD a partir de um local afastado. O controlador 180 pode, portanto, operar de forma autônoma ou interativa.

Durante a perfuração, o controlador 180 controla a operação do dispositivo APD para criar um diferencial de pressão determinado através do dispositivo de modo a alterar a pressão na formação ou a pressão de fundo de poço. O controlador 180 pode ser programado para manter a pressão de fundo de poço em um valor ou faixa de valores que proporcione uma condição abaixo do equilíbrio, na condição em equilíbrio ou na condição além do equilíbrio. Em uma modalidade, o diferencial de pressão pode ser alterado mudando a velocidade do dispositivo APD. Por exemplo, a pressão de fundo de poço pode ser mantida em um valor previamente selecionado ou dentro de uma faixa selecionada em relação a um parâmetro de interesse, tal como a pressão de formação. O controlador 180 pode receber sinais a partir de um ou mais sensores no sistema 100 e em resposta aos mesmos controlar a operação do dispositivo APD para produzir o diferencial de pressão desejado. O controlador 180 pode conter instruções previamente programadas e controlar autonomamente o dispositivo APD ou responder a sinais recebidos de um outro dispositivo que pode estar situado afastado do dispositivo APD. A Figura 1B ilustra graficamente o controle de ECD fornecido pela modalidade descrita acima da presente invenção e faz referência à Figura 1A por conveniência. A Figura 1A mostra o dispositivo APD 170 em uma profundidade D1 e uma localização representativa no furo de poço na vizinhança da ferramenta de poço 30 a uma profundidade menor D2. A Figura 1B apresenta um gráfico de profundidade versus pressão, que possui uma primeira curva C1 que representa um gradiente de pressão antes da operação do sistema 100 e uma segunda curva C2 que representa gradientes de pressão durante a operação do sistema 100. Uma curva C3 representa uma curva teórica na qual a condição de ECD não está presente; ou seja, quando o poço é estático e não circulante e está isento de detritos de perfuração. Pode-se ver que um objetivo ou pressão selecionada na profundidade D2 sob a curva C3 não pode ser alcançado com a curva C1. Vantajosamente, o sistema 100 reduz a pressão hidrostática na profundidade D1 e assim desloca o gradiente de pressão conforme indicado pela curva C3, que pode fornecer a pressão predeterminada desejada na profundidade D2. Na maior parte dos casos, este desvio corresponde aproximadamente à queda de pressão fornecida pelo dispositivo APD 170. A Figura 2 mostra a coluna de perfuração após ter sido movida da distância “d” indicada por ti-t2. Como o dispositivo APD 170 está fixado à coluna de perfuração 121, o dispositivo APD 170 também é mostrado deslocado da distância d.

Conforme mencionado anteriormente e mostrado na Figura 2, um dispositivo APD 170a pode ser fixado ao furo de poço de um maneira que permita que a coluna de perfuração 121 se mova enquanto o dispositivo APD 170a permanece em um local fixo. A Figura 3 mostra uma modalidade na qual o dispositivo APD está fixado ao furo de poço por dentro e é operado por um dispositivo adequado 172a. Conseqüentemente, o dispositivo APD pode ser fixado a um local estacionário em relação à referida coluna de perfuração, tal como um revestimento, um forro, o espaço anular de furo de poço, um tubo ascendente ou outro equipamento de furo de poço adequado. O dispositivo APD 170a, de preferência, está instalado de modo a ficar em uma seção superior revestida 129. O dispositivo 170a é controlado da maneira descrita com relação ao dispositivo 170 (Figura 1A).

Com referência agora às Figuras 4A-D, nelas está ilustrada es-quematicamente uma disposição na qual um motor/acionamento de deslocamento positivo 200 está acoplado a uma bomba do tipo Moineau 220 através de um conjunto de árvore 240. O motor 200 está ligado a uma seção de coluna de tubos superior 260 através da qual é bombeado fluido de perfuração a partir de um local na superfície. A bomba 220 está ligada a uma seção de coluna de tubos de perfuração inferior 262 à qual o conjunto de fundo de poço (não-mostrado) está fixado em uma sua extremidade do mesmo. O motor 200 possui um rotor 202 e um estator 204. Similarmente, a bomba 220 possui um rotor 222 e um estator 224. O projeto de bombas do tipo Moineau e motores é conhecido daqueles versados na técnica e não será discutido aqui em maiores detalhes. O conjunto de árvore 240 transmite para a bomba 220 a potência gerada pelo motor 200. Um conjunto de árvore 240 preferido inclui uma árvore flexível de motor 242 ligada ao rotor de motor 202, uma árvore flexível de bomba 244 ligada ao rotor de bomba 224 e uma árvore de acoplamento 246 para unir a primeira e a segunda árvores 242 e 244. Em uma disposição, uma vedação de alta pressão 248 está disposta em torno da árvore de acoplamento 246. Como se sabe, os rotores para os motores/bomba do tipo Moineau estão sujeitos a movimento excêntrico durante a rotação. Sendo assim, de preferência, a árvore de acoplamento 246 é articulada ou formada com flexibilidade suficiente para absorver este movimento excêntrico. Alternativamente, ou em combinação, as árvores 242, 244 podem ser configuradas para fletirem a fim de acomodar movimento excêntrico. Forças radiais e axiais podem ser suportadas por mancais 250 dispostos ao longo do conjunto de árvore 240. Em uma modalidade preferida, a vedação 248 é configurada para suportar qualquer uma das forças (de empuxo) radiais e axiais ou ambas. Em determinadas disposições, um conversor de velocidade ou tor-que 252 pode ser usado para converter velocidade/torque do motor 200 para uma segunda velocidade/torque para a bomba 220. Por conversor de velocidade/torque, pretende-se designar dispositivos conhecidos tais como, caixas de engrenagens mecânicas de proporção variável ou fixa, conversores de torque hidrostáticos e conversores hidrodinâmicos. Deve ficar claro que pode ser usada qualquer quantidade de disposições e dispositivos para a transferência de potência, velocidade ou torque do motor 200 para a bomba 220. Por exemplo, o conjunto de árvore 240 pode utilizar uma única árvore em vez de múltiplas árvores.

Conforme descrito acima, um dispositivo de trituração pode ser usado para processar detritos aprisionados no fluido de retorno antes de penetrar na bomba 200. Um tal dispositivo de trituração (Figura 1A) pode ser acoplado ao acionamento 200 ou à bomba 220, e operado pelo mesmo. Por exemplo, um tal dispositivo de trituração ou instalação de corte 270 pode incluir uma árvore 272 acoplada ao rotor de bomba 224. A árvore 272 pode incluir uma cabeça cônica ou um elemento de martelo 274 montado sobre a mesma. Durante a rotação, o movimento excêntrico do rotor de bomba 224 produzirá um movimento radial correspondente da cabeça de árvore 274. Este movimento radial pode ser usado para redimensionar os detritos entre o rotor e um alojamento de dispositivo de trituração 276. A disposição das Figuras 4A-D compreende ainda uma trajetória de escoamento de suprimento 290 para transportar fluido de suprimento do dispositivo 200 para a seção de coluna de tubos inferior 262, e uma trajetória de escoamento de retorno 292 para canalizar fluido de retorno a partir do interior de revestimento ou do espaço anular para dentro e para fora da bomba 220. A vedação de alta pressão 248 é colocada entre as trajetórias de escoamento 290 e 292 a fim de impedir vazamentos de fluido, particularmente do fluido de alta pressão na trajetória de escoamento de suprimento 290 para a trajetória de escoamento de retomo 292. A vedação 248 pode ser uma vedação de alta pressão, uma vedação hidrodinâmica ou outra vedação adequada, e pode ser formada de borracha, um elastômero, metal ou compôs ito.

Além disto, são providos dispositivos de derivação para permitir a circulação de fluido durante o disparo dos dispositivos de fundo de poço do sistema 100 (Figura 1A), para controlar os pontos de regulagem de operação do motor 200 e da bomba 220, e proporcionar alívio de pressão de segurança ao longo de qualquer uma das trajetórias de escoamento, de suprimento 290 e de retorno 292, ou de ambas. Dispositivos de derivação exemplificati-vos incluem uma derivação de circulação 300, uma derivação de motor 310 e uma derivação de bomba 320. A derivação de circulação 300 desvia seletivamente fluido de suprimento para o espaço anular 194 (Figura 1A), ou para o interior do revestimento C. A derivação de circulação 300 geralmente é colocada entre a seção de coluna de tubos de perfuração superior 260 e o motor 200. Uma derivação de circulação 300 preferida inclui uma peça de válvula sob propensão 302 que se abre quando a taxa de escoamento cai abaixo de um valor predeterminado. Quando a válvula 302 está aberta, o fluido de suprimento escoa por um canal 304 e sai pelos orifícios 306. Mais geralmente, a derivação de circulação pode ser configurada para atuar ao receber um sinal de atuação e/ou detectar um valor ou faixa de valores predeterminado em relação a um parâmetro de interesse (por exemplo, a taxa de escoamento ou a pressão de fluido de suprimento, ou a um parâmetro de operação do conjunto de fundo de poço). A derivação de circulação 300 pode ser empregada para facilitar as operações de perfuração e aumentar seletivamente a pres-são/taxa de escoamento do fluido de retorno. A derivação de motor 310 seletivamente conduz fluido em canais em torno do motor 200. A derivação de motor 310 possui uma válvula 312 e uma passagem 314 formada através do rotor de motor 202. Uma junção 316 que liga o rotor de motor 202 à primeira árvore 242 inclui passagens apropriadas (não-mostradas) que permitem que o fluido de suprimento saia da passagem de rotor 314 e entre na trajetória de escoamento de suprimento 290. Igualmente, uma derivação de bomba (não-mostrada) conduz seletivamente fluido em torno da bomba 200. A derivação de bomba inclui uma válvula e uma passagem formada através do rotor de bomba 222 ou carcaça. A derivação de bomba 320 pode também ser configurada para funcionar como uma linha de derivação de partículas para o dispositivo APD. Por exemplo, a derivação de bomba pode ser adaptada com elementos conhecidos, tais como peneiras ou filtros, para conduzir seletivamente, em torno do dispositivo APD, detritos ou partículas entranhados no fluido de retorno que são maiores que um tamanho predeterminado. Alternativamente, para uma tal função, pode ser usada, além da derivação de bomba, uma derivação de partículas separada. Alternativamente, uma válvula (não-mostrada) em uma car- caça de bomba 225 pode desviar fluido para um conduto paralelamente à bomba 220. Uma tal válvula pode ser configurada para abrir quando a taxa de escoamento cair abaixo de um valor predeterminado. Outrossim, o dispositivo de derivação pode ser um projeto de vazamento interno na bomba. Ou seja, o ponto operante da bomba 220 pode ser controlado pela provisão de uma quantidade preestabelecida ou variável de vazamento de fluido na bomba 220. Além disto, válvulas de pressão podem ser colocadas na bomba 220 para descarregar fluido no caso de ser detectada uma condição de so-brepressão ou outra condição predeterminada.

Além disto, uma vedação anular 299 em determinadas modalidades pode ser disposta em torno do dispositivo APD para dirigir o fluido de retorno para escoar para a bomba 220 (ou, mais genericamente, o dispositivo APD) e permitir um diferencial de pressão através da bomba 220. A vedação 299 pode ser uma peça de anel maciça ou maleável, um elemento do tipo obturador expansível que se expande/contrai ao receber um sinal de comando, ou outro elemento que impeça substancialmente que fluido de retomo escoe entre a bomba 220 (ou, mais genericamente, o dispositivo APD) e o revestimento ou parede de furo de poço. Em determinadas aplicações, a folga entre o dispositivo APD e a parede adjacente (seja revestimento ou furo de poço) pode ser suficientemente pequena para não exigir uma vedação anular.

Durante a operação, o motor 200 e a bomba 220 estão posicionados em um local de furo de poço, tal como um revestimento C. O fluido de perfuração (o fluido de suprimento) que escoa através da seção de coluna de tubos superior 260 penetra no motor 200 e faz girar o rotor 202. Esta rotação é transferida para o rotor de bomba 222 pelo conjunto de árvore 240. Como se sabe, os perfis, tamanho e configuração de lóbulo respectivos do motor 200 e da bomba 220 podem ser variados para fornecer uma curva de velocidade ou de torque selecionada, a taxas de escoamento dadas. Ao sair do motor 200, o fluido de suprimento escoa através da trajetória de escoamento de suprimento 290 para a seção de coluna de tubos de perfuração inferior 262 e, no final, para o conjunto de fundo de poço (não-mostrado). O fluido de retorno escoa para cima através do espaço anular de furo de poço (não-mostrado) e do revestimento C, e penetra na instalação de corte 270 através de uma entrada 293 para a trajetória de escoamento de retorno 292. O escoamento atravessa a instalação de corte 270 e penetra na bomba 220. Nesta modalidade, o controlador 180 (Figura 1A) pode ser programado para controlar a velocidade do motor 200 e conseqüentemente a operação da bomba 220 (o dispositivo APD, neste caso).

Deve ficar entendido que a disposição descrita acima representa apenas um uso exemplificativo de motores e bombas de deslocamento positivo. Por exemplo, embora o motor e a bomba de deslocamento positivo sejam mostrados estruturalmente em série nas Figuras 4A-B, uma disposição adequada pode possuir também um motor e bomba de deslocamento positivo em paralelo. Por exemplo, o motor pode ser disposto concentricamente em uma bomba.

Com referência agora às Figuras 5A-B, nelas está ilustrada es-quematicamente uma disposição na qual um acionamento de turbina 350 está acoplado a uma bomba do tipo centrífugo 370 através de um conjunto de árvore 390. A turbina 350 possui lâminas fixas e giratórias 354 e mancais radiais 402. A bomba do tipo centrífugo 370 possui uma carcaça 372 e múltiplos estágios de impulsor 374. O projeto de turbinas e bombas centrífugas é conhecido por aqueles versados na técnica, e não será discutido aqui em maiores detalhes. O conjunto de árvore 390 transmite a potência gerada pela turbina 350 à bomba centrífuga 370. Um conjunto de árvore 350 preferido possui uma árvore de turbina 392 ligada ao conjunto de lâmina de turbina 354, uma árvore de bomba 394 ligada aos estágios de propulsão de bomba 374, e um acoplamento 396 para unir as árvores de turbina e de bomba 392 e 394. A disposição da Figura 5A-B compreende ainda uma trajetória de escoamento de suprimento 410 para canalizar fluido de suprimento, indicada por setas designadas por 416, e uma trajetória de escoamento de retorno 418 para canalizar fluido de retorno, indicada por setas designadas por 424. A trajetória de escoamento de suprimento 410 possui uma entrada 412 que dirige fluido de suprimento para a turbina 350, e uma passagem axial 413 que conduz o fluido de suprimento que sai da turbina 350 para uma saída 414. A trajetória de escoamento de retomo 418 possui uma entrada 420 que dirige fluido de retorno para a bomba centrifuga 370, e uma saída 422 que canaliza o fluido de retorno para o interior do revestimento C ou o espaço anular de furo de poço. Uma vedação de alta pressão 400 é colocada entre as trajetórias de escoamento 410 e 418 para reduzir os vazamentos de líquido, particularmente a partir do fluido de alta pressão na trajetória de escoamento de suprimento 410 para a trajetória de escoamento de retorno 418. Uma pequena taxa de vazamento é desejada para resfriar e lubrificar os mancais axiais e radiais. Além disto, pode ser provida uma derivação 426 para desviar fluido de suprimento a partir da turbina 350. Outrossim, forças radiais e axiais podem ser suportadas por conjuntos de mancais 402 colocados ao longo do conjunto de árvore 390. De preferência, é provido um dispositivo de trituração 373 para reduzir o tamanho de partícula que penetra na bomba centrífuga 370. Em uma modalidade preferida, um dos estágios de impulsor é modificado por lâminas ou elementos cisalhantes que cisalham partículas aprisionadas para reduzir o seu tamanho. Em determinadas disposições, um conversor de velocidade ou torque 406 pode ser usado para converter uma primeira velocidade/torque do motor 350 para uma segunda velocidade/torque para a bomba centrífuga 370. Deve ficar entendido que pode ser usado qualquer número de disposições e dispositivos para transferir potência, velocidade ou torque da turbina 350 para a bomba 370. Por e-xemplo, o conjunto de árvore 390 pode utilizar uma única árvore em vez de múltiplas árvores.

Cumpre apreciar que uma bomba de deslocamento positivo não precisa se combinar com apenas um motor de deslocamento positivo, ou com uma bomba centrífuga com apenas uma turbina. Em determinadas aplicações, considerações de velocidade de operação ou de espaço podem conduzir a uma disposição na qual um acionamento de deslocamento positivo pode energizar eficazmente uma bomba centrífuga, ou um acionamento de turbina energizar uma bomba de deslocamento positivo. Cumpre apreciar também que a presente invenção não está limitada às disposições descritas acima. Por exemplo, um motor de deslocamento positivo pode acionar um dispositivo intermediário, tal como um motor elétrico ou motor hidráulico dotado de um reservatório hidráulico limpo encapsulado. Em uma tal disposição, o motor hidráulico (ou energia elétrica produzida) aciona a bomba. Estas disposições podem eliminar as trajetórias de vazamento entre o fluido de suprimento de alta pressão e o fluido de retorno, e portanto eliminam a necessidade de vedações de alta pressão. Alternativamente, pode ser usada uma bomba a jato. Em uma disposição exemplificativa, o fluido de suprimento é dividido em duas correntes. A primeira corrente é dirigida para o BHA. A segunda corrente é acelerada por um bocal e descarregada com alta velocidade no espaço anular, deste modo efetuando uma redução da pressão anular. As bombas que incorporam um ou mais pistões, tais como as bombas de martelo, podem também ser adequadas para determinadas aplicações.

Com referência agora à Figura 6A, nela está ilustrada esquema-ticamente uma disposição na qual um conjunto de bomba de acionamento elétrico 500 possui um motor 510 que está, pelo menos parcialmente, posicionado por fora de uma coluna de tubos de perfuração 502. De uma maneira convencional, o motor 510 está acoplado a uma bomba 520 através de um conjunto de árvore 530. Uma trajetória de escoamento de suprimento conduz fluido de suprimento, designada por uma seta 505, e uma trajetória de escoamento de retorno 506 conduz fluido de retorno, designada por uma seta 507. Como se pode observar, a disposição da Figura 6A não inclui trajetórias de vazamento através das quais o fluido de suprimento de alta pressão 505 possa invadir a trajetória de escoamento de retorno 506. Conse-qüentemente, não há necessidade de vedações de alta pressão.

Em uma modalidade, o motor 510 inclui um rotor 512, um estator 514 e uma vedação rotativa 516 que protege as bobinas 512 e o estator 514 contra fluido de perfuração e detritos. Em uma modalidade, o estator 514 está fixado ao exterior da coluna de tubos de perfuração 502. As bobinas do rotor 512 e o estator 514 estão encapsulados em um material ou carcaça que impede danos provenientes de contato com fluidos de furo de poço. De preferência, o interior do motor 510 é enchido com um fluido hidráulico limpo. Em uma outra modalidade não-mostrada, o rotor está colocado dentro do escoamento do fluido de retomo, deste modo eliminando a vedação rotativa. Em uma tal disposição, o estator pode ser protegido com um tubo enchido com fluido hidráulico limpo para compensação de pressão.

Com referência agora à Figura 6B, nela está ilustrada esquema-ticamente uma disposição na qual uma bomba de acionamento elétrico 550 possui um motor 570 que é formado, pelo menos em parte, inteiriçamente com uma coluna de tubos de perfuração 552. De uma maneira convencional, o motor 570 está acoplado a uma bomba 590 através de um conjunto de árvore 580. Uma trajetória de escoamento de suprimento 554 conduz fluido de suprimento, designada por uma seta 556, e uma trajetória de escoamento de retorno 558 conduz fluido de retorno, designada por uma seta 560. Como se pode observar, a disposição da Figura 6B não inclui trajetórias de vazamento através dos quais o fluido de suprimento de alta pressão 556 pode invadir a trajetória de escoamento de retorno 558. Conseqüentemente, não há necessidade de vedações de alta pressão.

Cumpre apreciar que um acionamento elétrico proporciona um método relativamente simples de controlar o dispositivo APD. Por exemplo, variando a velocidade de motor elétrico, pode-se controlar diretamente a velocidade do rotor no dispositivo APD e conseqüentemente o diferencial de pressão através do dispositivo APD. Além disto, em qualquer uma das disposições da Figura 6A ou 6B, a bomba 520 e 590 pode ser qualquer bomba adequada e, de preferência, é uma bomba do tipo centrífuga de múltiplos estágios. Outrossim, as bombas do tipo de deslocamento positivo, tais como bombas do tipo Moineau ou em espiral ou de rodas dentadas, podem também ser adequadas para muitas aplicações. Por exemplo, a configuração de bomba pode ser de um único estágio ou de múltiplos estágios, e utilizar fluxo radial, fluxo axial ou fluxo misturado. Ademais, conforme descrito acima, um dispositivo de trituração posicionado no fundo de poço das bombas 520 e 590 pode ser usado para reduzir o tamanho de partículas entranhadas no fluido de retorno.

Cumpre apreciar que são possíveis muitas variações nas modalidades descritas acima. Por exemplo, um elemento de embreagem pode ser adicionado ao conjunto de árvore que liga o acionamento à bomba, para a-coplar e desacoplar seletivamente o acionamento e a bomba. Além disto, em determinadas aplicações, pode ser vantajoso utilizar uma conexão não-mecânica entre o acionamento e a bomba. Por exemplo, uma embreagem magnética pode ser usada para engatar o acionamento e a bomba. Em uma tal disposição, o fluido de suprimento e o acionamento e o fluido de retorno e a bomba podem permanecer separados. A velocidade/torque pode ser transferida por uma conexão magnética que acopla os elementos de acionamento e de bomba, que estão separados por um elemento tubular (por exemplo, uma coluna de tubos de perfuração). Além disto, embora determinados elementos tenham sido discutidos com referência a uma ou mais modalidades específicas, deve ficar claro que a presente invenção não está limitada a qualquer uma destas combinações específicas. Por exemplo, os elementos tais como conjuntos de árvore, derivações, dispositivos de trituração e vedações anulares discutidos no contexto de acionamentos de deslocamento positivo, podem ser prontamente usados com disposições de acionamento elétrico. Outras modalidades dentro do escopo da presente invenção que não são mostradas incluem uma bomba centrífuga que está fixada à coluna de tubos de perfuração. A bomba pode incluir um impulsor de múltiplos estágios e pode ser acionada por uma unidade de potência hidráulica, tal como um motor. Este motor pode ser operado pelo fluido de perfuração ou de qualquer outra maneira adequada. Ainda uma outra modalidade não-mostrada inclui um dispositivo APD fixado à coluna de tubos de perfuração, que é operado pela rotação da coluna de tubos de perfuração. A rotação da coluna de tubos de perfuração gira o impulsor, que produz um diferencial de pressão através do dispositivo.

Embora a apresentação acima esteja voltada para as modalidades preferidas da invenção, diversas modificações se evidenciarão para a-queles versados na técnica. Pretende-se que todas as variações que inci- dam no escopo e espírito das reivindicações apensas estejam abrangidas pela apresentação acima.

Claims (11)

1. Sistema de perfuração para perfurar um furo de poço (100), que compreende: uma coluna de tubos de perfuração (502, 552) que possui uma sonda perfuratriz (130) em uma extremidade do mesmo; uma fonte de fluido de perfuração, em uso, que fornece fluido de perfuração sob pressão à coluna de tubos de perfuração (502, 552), o fluido de perfuração, em uso, que retorna furo acima através de um espaço anular (194) em torno da coluna de tubos de perfuração; um dispositivo diferencial de pressão ativa (APD) (170) instalado no espaço anular (194) para, em uso, criar uma queda de pressão através do dispositivo APD para reduzir a pressão no fundo do furo de poço do dispositivo APD, o dispositivo APD, em uso, em comunicação fluida com o fluido de perfuração de retorno; um conjunto de acionamento elétrico (500); e um membro de vedação; caracterizado por o conjunto de acionamento elétrico (500) estar axialmente adjacente e acoplado ao dispositivo APD (170); e o membro de vedação estar posicionado entre o dispositivo APD e o conjunto de acionamento.

2. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de acionamento elétrico (500) é disposto em um local selecionado a partir de uma carcaça que isola substancialmente o conjunto de acionamento elétrico do fluido de perfuração fornecido à coluna de tubos de perfuração (502, 552), e do lado de fora da coluna de tubos de perfuração.

3. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um conversor de velocidade (252, 406) colocado entre o conjunto de acionamento e o dispositivo APD (170), o conversor de velocidade adaptado para converter uma primeira velocidade associada ao conjunto de acionamento para uma segunda velocidade selecionada associada ao dispositivo APD (170).

4. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o conversor de velocidade (252, 406) é selecionado a partir de um grupo que consiste de um acionamento de engrenagem, um acionamento hidráulico, e um acionamento hidrodinâmico.

5. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um dispositivo de trituração (176, 270, 373) posicionado no fundo de poço do dispositivo APD (170), o dispositivo de trituração configurado para, em uso, reduzir o tamanho das partículas que entram no fluido de perfuração.

6. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de trituração (176, 270, 373) é acoplado ao conjunto de acionamento e, em uso, energizado pelo mesmo.

7. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de trituração (176, 270, 373) compreende um membro de corte configurado como um estágio em uma bomba de tipo centrífuga (370) associada com o dispositivo APD (170).

8. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 5, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um vedador de espaço anular (194) disposto no entorno do dispositivo APD (170), o vedador de espaço anular, em uso, faz com que o fluido de perfuração flua no dispositivo APD.

9. Sistema de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo APD (170) inclui um de uma turbina (350) e uma bomba centrífuga (370).

10. Método para perfuração de um furo de poço, que compreende as etapas de: prover uma coluna de tubos de perfuração (502, 552) que possui uma sonda perfuratriz (130) na extremidade do mesmo; suprir fluido de perfuração sob pressão à coluna de tubos de perfuração (502, 552), o fluido de perfuração retornando furo acima através de um espaço anular (194) em torno da coluna de tubos de perfuração; instalar um dispositivo diferencial de pressão ativa (APD) (170) no espaço anular (194) para criar uma queda de pressão através do dispositivo APD (170) para reduzir a pressão no fundo do furo de poço do dispositivo APD, o dispositivo APD em comunicação fluida com o fluido de perfuração de retorno; prover um conjunto de acionamento elétrico (500); e prover um membro de vedação; caracterizado por acoplar o conjunto de acionamento elétrico (500) ao dispositivo APD (170), em que o conjunto de acionamento elétrico (500) é posicionado axialmente adjacente ao dispositivo APD; e posicionar o membro de vedação entre o dispositivo APD e o conjunto de acionamento.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de dispor o conjunto de acionamento elétrico (500) em um local selecionado a partir de uma carcaça que isola substancialmente o conjunto de acionamento elétrico do fluido de perfuração fornecido à coluna de tubos de perfuração (502, 552), e do lado de fora da coluna de tubos de perfuração.