BRPI0500981B1

BRPI0500981B1 - conjunto de furo de fundo tendo uma broca e um sub-escareador no lado de furo de cima da broca e método para controlar uma operação de perfuração de sub-escareamento

Info

Publication number: BRPI0500981B1
Application number: BRPI0500981A
Authority: BR
Inventors: Benjamin Peter Jeffryes
Original assignee: Schlumberger Surenco Sa
Priority date: 2004-03-27
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2016-07-26
Also published as: GB2412388A; BRPI0500981A; US7316277B2; NO20051524D0; CA2502165C; CA2502165A1; GB2412388B; GB0406921D0; GB0505455D0; GB2412392B; NO327621B1; GB2412392A; NO20051524L; US20050211470A1

Abstract

"conjunto de furo de fundo, método para controlar uma operação de perfuração de sub-escareamento e método para monitorar constantes de corte durante tal perfuração". um conjunto de furo de fundo tem uma broca e um sub-escareador no lado de furo de cima da broca. em um aspecto, o conjunto adicionalmente tem um elemento concordante ligando a broca ao sub-escareador, o elemento concordante permitindo deslocamento da broca em relação ao sub-escareador na direção axial do conjunto. em um outro aspecto, o conjunto adicionalmente tem um elemento sensor que está arranjado para medir o peso-no-bit e/ou o torque aplicado da broca, e um transmissor para transmitir as medições de peso-no-bit e/ou torque aplicado para a superfície.

Description

"CONJUNTO DE FURO DE FUNDO TENDO UMA BROCA E UM SUB-ESCAREADOR NO LADO DE FURO DE CIMA DA BROCA E MÉTODO PARA CONTROLAR UMA OPERAÇÃO DE PERFURAÇÃO DE SUB-ESCAREAMENTO" [0001] A presente invenção relaciona-se com um conjunto de furo de fundo (BHA) tendo uma broca e um sub-escareador no lado do furo de cima da broca.

Antecedentes da invenção [0002] Em operações de perfuração, tais com a perfuração de poços de hidrocarbonetos, furos perfurados são usualmente revestidos com tubulação de aço conhecida como carcaça, a qual é cimentada no lugar bombeando cimento para dentro de um anel tubular entre a carcaça e a parede do furo. Uma vez que o comprimento da carcaça esteja no lugar, isto impõe uma restrição no diâmetro de qualquer seção subseqüente de furo, uma vez que a broca e qualquer carcaça adicional devem passar através da carcaça existente. Entretanto, reduções em diâmetro do furo são indesejáveis uma vez que elas tendem a limitar a taxa de fluxo de produção de hidrocarbonetos através do furo. Assim sub-escareadores são usados para aumentar tais seções subseqüentes de furo. Exemplos de sub-escareadores são divulgados nas patentes US nos 6378632, 6615933, 458904 e 3712854. Geralmente um sub-escareador é usado em um furo de cima de BHA de uma broca. Deste modo a broca perfura o furo a ser sub-escareado ao mesmo tempo em que o sub-escareador aumenta o furo formado pelo bit.

[0003] Entretanto, um problema com BHAs deste tipo é que se o sub-escareador perfurar material que é muito mais duro do que está sendo perfurado pelo bit, peso excessivo pode ser aplicado ao sub-escareador. Isto pode levar a desgaste prematuro e dano do cortador. Também, em algumas circunstâncias, o problema oposto pode ocorrer, isto é, quando o bit perfura material muito mais duro do que está sendo perfurado pelo sub-escareador, desgaste excessivo pode ser aplicado ao bit.

[0004] Outro problema é que à medida que o material sendo perfurado pelo bit e sub-escareador muda de dureza, o peso e torque podem ser transferidos muito rapidamente entre os dois, levando a choques axiais e rotacionais. Estes choques podem ser prejudiciais a equipamento de furo subterrâneo.

[0005] Na patente U.S. 5,343,964 uma ferramenta de furo subterrâneo é descrita onde uma broca central está conectada com uma broca coaxial. A broca central é acionada por um motor de furo subterrâneo, e uma broca circunferencial é acionada por rotação da coluna de perfuração a partir da superfície. As duas brocas são conectadas por uma mola axial acima do motor de furo subterrâneo e uma conexão prismática abaixo do motor que conecta o estator do motor de furo subterrâneo à coluna de perfuração.

[000 6] O requisito mais comum para uma broca circunferencial em construção de poço é sub-escarear um furo para um tamanho maior que a carcaça acima do furo recentemente criado. Isto necessita um chamado sub-escareador 'sob demanda', onde os elementos de corte são estendidos para fora até seu diâmetro total quando requerido (normalmente após o sub-escareador ter passado a sapata da carcaça). O aparelho descrito na '964 é difícil para adaptar para uso com um sub-escareador sob-demanda, uma vez que o arranjo radial do eixo motriz da broca central, elemento prismático e broca circunferencial não tem o espaço para acomodar o sub-escareador em sua posição retraida. Adicionalmente um dos métodos padrões para instalação de sub-escareador, o uso de uma pêra, seria impossível com a configuração como descrita.

[0007] É, portanto um objetivo da invenção prover uma ferramenta melhorada com aplicações em uma ampla faixa de operações de sub-escareador.

Sumário da invenção [0008] Em um primeiro aspecto, a presente invenção encaminha estes problemas provendo um elemento concordante entre o sub-escareador e a broca. O elemento concordante está, portanto localizado abaixo do sub-escareador. O elemento pode suavizar a transição de uma distribuição de forças do sub-escareador/broca para outra distribuição de forças, e preferivelmente permite melhor controle de peso por quer um humano ou uma perfuratriz automatizada.

[0009] Portanto, a presente invenção provê neste aspecto um conjunto de furo de fundo tendo uma broca e um sub-escareador no lado do furo de cima da broca, o conjunto adicionalmente tendo um elemento concordante localizado no lado do furo de baixo do sub-escareador de modo a ligar a broca ao sub-escareador, o elemento concordante permitindo deslocamento da broca em relação ao sub-escareador na direção axial do conjunto. Todas as seções ou partes da coluna de perfuração que provêem uma conexão de acoplamento por força entre a seção de sub-escareador e a seção de broca estão localizadas acima do elemento concordante. O elemento concordante embora permitindo movimento relativo axial é preferivelmente de um tipo que pode transferir força torcional ou rotacional sem ser significativamente mais torcido do que outras partes da coluna de perfuração quando girado.

[0010] O elemento concordante e, portanto a conexão de acoplamento de força acima dele estão preferivelmente localizados acima do furo de um sistema direcíonãvel usado para controlar a direção de perfuração. Estes sistemas direcionáveís são preferivelmente dispositivos para operações direcionáveis rotativas. A invenção, portanto supera uma principal desvantagem presente no sistema como descrito na US-5,3-33,964, que não é adequado para aplicações direcionáveis rotativas, [0011] 0 novo arranjo adicionalmente permite acomodar subsídios [subs] de medição dentro da seção da broca da coluna de perfuração. Tais subsídios de medição estão localizados abaixo do sub-escareador e da broca e, como todas as seções da coluna de perfuração abaixo da conexão de acoplamento de força ao sub-escareador, expostos diretamente ao ambiente do poço» [0012] Vantajosamente, o elemento concordante pode reduzir cargas de choque no sub-escareador. Além disso, se o sub-escareador ou broca encontrar material mais duro, ele pode aumentar o tempo antes que o sub-escareador ou broca seja danificado ou excessivamente desgastado pelo encontro, provendo assim o perfurador com uma oportunidade de adotar ação de escape ou de alívio.

[0013] Preferivelmente o elemento concordante está adaptado para permitir pelo menos 10 cm de deslocamento relativo, e mais preferivelmente pelo menos 20 ou 50 cm de deslocamento relativo. Preferivelmente o elemento concordante tem uma concordância na faixa de 0,5 a 10 ocm/Newton, e mais preferivelmente na faixa de 2 a 5 ôcm/Newton.

[001^] Tipicamente, o elemento concordante é forçado contra uma posição totalmente estendida a qual produz um espaçamento axial máximo entre a broca e o sub-escareador. Por exemplo, o elemento concordante pode compreender uma mola para gerar o pressionamento.

[0015] Em uso normal de furo subterrâneo, entretanto, a maioria do peso está na broca, o que encurta o elemento concordante em uma extensão significativa. Quando o sub-escareador encontra material mais duro, o peso na broca diminui e o elemento concordante se estende sob a influência do pressionamento. Por outro lado, se a maioria do peso estiver inicialmente no sub-escareador, o elemento concordante se estenderá significativamente. Então, quando a broca encontra material mais duro, o peso que estava no sub-escareador se transfere para a broca e o elemento concordante se encurta contra a influência do pressionamento.

[0016] Tipicamente, o elemento concordante tem uma extensão de curso que define o espaçamento axial máximo e um espaçamento axial mínimo que podem ser produzidos, pelo deslocamento relativo entre a broca e o sub-escareador.

[0017] Em geral, a extensão do curso e a concordância do elemento concordante são selecionadas tal que quando substancialmente todo o peso estiver na broca, o elemento concordante esteja encurtado tal que somente cerca de 20% a 5% (preferivelmente cerca de 15% a 10%) da extensão do curso permanecem para trazer a broca e sub-escareador mais próximos juntos. A pequena quantidade adicional de encurtamento que o elemento concordante pode suportar provê um "amortecimento" no caso que peso adicional seja aplicado à broca. Claramente, a escolha da extensão do curso e concordância serão determinados pelo peso, que o perfurador pretende aplicar à broca.

[0018] O conjunto de furo de fundo pode ser direcionável-rotativo. Alguns de tais conjuntos têm membros ou suportes de empuxo (veja a patente US n° 6705413) que pressionam contra a parede do furo e que são particularmente vulneráveis a oscilações de onda de cisalhamento na perfuração. Outras formas de sistema direcionável-rotativo geram um desvio de broca sem que os suportes contatem a parede do furo, mas podem também ser danificadas por rotação de retorno ou velocidade de rotação excessiva - ambas as quais podem estar associadas com altos niveis de vibração de cisalhamento do conjunto de furo de fundo. As oscilações de onda de cisalhamento podem ser provocadas pelo retardo de tempo entre um aumento de torque no sub-escareador quando o sub-escareador encontra material mais duro, e o aumento de torque de resposta aplicado pelo sistema motriz da superfície. Provendo o elemento concordante entre a broca e o sub-escareador, tais oscilações podem ser evitadas ou reduzidas.

[0019] Em configurações preferidas, o conjunto de furo de fundo adicionalmente tem um elemento sensor que é arranjado para medir o peso-no-bit e/ou o torque aplicado da broca, e um transmissor para transmitir as medições de peso-no-bit e/ou de torque aplicado para a superfície. Em princípio, as medições de superfície podem prover o perfurador com indicações preliminares de se o sub-escareador encontrou material mais duro. Entretanto, medições de furo abaixo providas pelo elemento sensor podem confirmar estas indicações preliminares e também prover medições mais precisas da distribuição de força do sub-escareador/broca.

[0020] Entretanto, particularmente se as medições de furo abaixo puderem ser tornadas disponíveis efetivamente instantaneamente e em uma alta taxa para o perfurador, p. ex. por cabeamento elétrico ou ótico funcionando ao longo da coluna de perfuração a partir do transmissor ou por algum outro meio para prover uma trajetória fechada elétrica ou óptica dentro do furo, as medições podem prover uma indicação em tempo real de se o sub-escareador ou broca encontrou material mais duro, permitindo o perfurador adotar ação de prevenção ou mitigação. Tais métodos serão referidos subseqüentemente como "telemetria de alta velocidade".

[0021] Assim em um segundo aspecto, a presente invenção provê um conjunto de furo de fundo tendo uma broca e um sub-escareador no lado de furo de cima da broca, o conjunto adicionalmente tendo um elemento sensor que é arranjado para medir o peso-no-bit e/ou o torque aplicado da broca, e um transmissor para transmitir as medições de peso-no-bit e/ou torque aplicado para a superfície.

[0022] Preferivelmente, o transmissor transmite as medições por telemetria de alta velocidade.

[0023] Embora o conjunto de furo de fundo deste aspecto possa não ter um elemento concordante ligando a broca ao sub-escareador, ele ainda pode ser usado pelo perfurador para evitar desgaste ou dano prematuro do cortador.

[0024] Aspectos adicionais da invenção se relacionam com métodos para controlar operações de perfuração de sub-escareamento usando conjuntos de furo de fundo como descrito acima.

[0025] Assim em outro aspecto, a presente invenção provê um método para controlar uma operação de perfuração de sub-escareamento, compreendendo as etapas de: perfurar um poço com o conjunto de furo de fundo do primeiro aspecto; monitorar o torque de superfície aplicado à coluna de perfuração; e controlar a operação de perfuração para evitar sobrecarregar o sub-escareador ou broca quando o torque de superfície indicar que peso está se transferindo entre a broca e o sub-escareador .

[0026] Preferivelmente, o método adicionalmente compreende as etapas de: monitorar a carga de gancho da superfície, e correlacionar a carga de gancho da superfície com o torque da superfície; e a operação de perfuração sendo controlada para evitar sobrecarregar o sub-escareador ou broca quando a correlação da carga de gancho da superfície com o torque da superfície indicar que peso está se transferindo entre a broca e o sub-escareador .

[0027] Em um aspecto adicional, a presente invenção provê um método para controlar uma operação de perfuração de sub-escareamento, compreendendo as etapas de: perfurar um poço com o conjunto de furo de fundo de configurações preferidas do primeiro aspecto o qual tem o elemento sensor e o transmissor, ou perfurar o poço com o conjunto de furo de fundo do segundo aspecto; medir o peso-no-bit e/ou torque aplicado da broca usando o elemento sensor; e controlar a operação de perfuração para evitar sobrecarregar o sub-escareador ou broca quando o peso-no-bit e/ou torque aplicado medidos indicar que peso está se transferindo entre a broca e o sub-escareador.

[0028] Em um aspecto adicional, o presente método provê um método para controlar uma operação de perfuração de sub-escareamento, compreendendo as etapas de: perfurar um poço com o conjunto de furo de fundo do primeiro aspecto; monitorar a concordância aparente da coluna de perfuração usando medições de superfície; inferir a partir da concordância aparente a razão de peso de equilíbrio entre o sub-escareador e a broca; e controlar a operação de perfuração para evitar sobrecarregar o sub-escareador ou broca quando a razão de peso indicar que peso está se transferindo entre a broca e o sub-escareador.

[0029] Em um aspecto adicional, o presente método provê um método para monitorar constantes de corte durante uma operação de perfuração de sub-escareamento, o método compreendendo as etapas de: perfurar um poço com o conjunto de furo de fundo do primeiro aspecto; executar um teste de perfuração e medir a carga de gancho contra o tempo durante o teste; inferir a partir da carga de gancho medida contra tempo as constantes de corte da broca e do sub-escareador.

[0030] Em um aspecto adicional da invenção é provido um conjunto de furo de fundo tendo uma broca e um sub-escareador no lado do furo de cima da broca, o conjunto adicionalmente tendo um elemento responsivo a uma distribuição de peso entre um peso na broca e um peso no sub-escareador. O elemento responsivo pode incluir um elemento concordante ou um sensor adaptado para detectar o peso em pelo menos a broca ou sub-escareador .

Descrição resumida dos desenhos [0031] A presente invenção será agora descrita em relação às configurações especificas e com referência à figura seguinte, na qual: [0032] A figura 1 mostra esquematicamente um aparelho para perfurar um furo.

EXEMPLOS

Considerações teóricas [0033] 0 peso-no-bit e a velocidade do bit de uma broca podem ser relacionados pela expressão Vb = PbWb, onde vb e wb são respectivamente a velocidade do bit (ou ROP - taxa de penetração) & peso-no-bit (MOB), e pb é a constante de corte, independente de WGB (ela pode entretanto depender de taxa de fluxo de fluido de perfuração ou velocidade de rotação do bit). Entretanto, acima de um certo WOB, para uma velocidade de rotação fixa, haverá pouco ou nenhum aumento em velocidade do bit com WOB.

[0034] Uma expressão similar se aplica para um sub-escareador, isto é: v»j · onde o subscrito u denota o sub-escareador. Se o sub-escareador e o bit forem rigidamente conectados (como em um BHA convencional), então suas velocidades devem ser iguais. Então, denotando a soma dos WOBs da broca e sub-escareador por w, segue-se que: Pb e pu são inversamente proporcionais à respectiva área de bit (quanto maior o bit, para o mesmo peso, mais devagar ele corta). Tomando, como um exemplo, uma broca de 22,23 cm (8,75 polegadas) de diâmetro e um sub-escareador seguindo a broca e abrindo o furo inicial para um diâmetro de 24,13 cm (9,5 polegadas) , as respectivas áreas de bit da broca e do sub-escareador são cerca de 387 cm2 (60 polegadas quadradas) e cerca de 69,35 cm2 (10,75 polegadas quadradas). Por isso, se a broca e o sub-escareador forem de construção similar, pode ser visto que quando a broca e o sub-escareador estão perfurando o mesmo material, aproximadamente 85% do peso estará na broca e 15% no sub-escareador.

[0035] Tipicamente, o perfurador mantém peso total constante nos dois bits monitorando o WOB aparente de superfície. Portanto, se a broca penetrar material mais duro, Pb diminui, mas haverá muito pouco efeito em Wb uma vez que ele pode aumentar por não mais que 18%.

[0036] Em contraste, se o sub-escareador atingir um material muito mais duro, o efeito no sub-escareador pode ser dramático.

[0037] Não é não usual constantes de corte aumentar em tanto quanto um fator de dez, por exemplo, entre uma viga de argila xistosa e uma de carbonato. Neste caso, dois terços do peso total poderíam estar no sub-escareador e somente um terço na broca, aumentando wu por um fator de 4,5. Particularmente se isto faz o sub-escareador ultrapassar o wu para o que há pouco ou nenhum aumento em velocidade de bit com wu, o efeito será ainda mais severo; wb será aquele correspondente à velocidade máxima que o sub-escareador pode penetrar no material duro, e todo o peso restante estará no sub-escareador.

[0038] Embora nas circunstâncias descritas acima, e na maioria das circunstâncias onde um sub-escareador está instalado, a maioria do peso esteja normalmente na broca, há situações onde o peso está mais uniformemente distribuído -ou mesmo onde a maioria do peso está no sub-escareador. No que segue onde é feita referência da transferência de peso da broca para o sub-escareador, a menos que indicação explicita ao contrário seja dada, a mesma análise e efeitos se aplicam quando peso se transfere do sub-escareador para a broca.

[0039] Com um BHA convencional, o tempo requerido para peso se transferir da broca para o sub-escareador é usualmente muito curto, uma vez que a coluna de perfuração entre os dois elementos de corte é muito rígida. Por exemplo, tomando um wb típico na afixa de 44,5 kN (10 klbf) e uma distância de separação entre a broca e o sub-escareador de umas poucas dezenas de metros, a mudança em distância de separação à medida que o sub-escareador encontra material mais duro e a maioria do peso é removida do bit e transferida para o sub-escareador é somente uns poucos milímetros. A 36,6 m/h (120 pés/hora) , o conjunto está se movendo a cerca de 1 cm/s. Portanto neste cenário a transferência de peso ocorrerá em menos que um segundo.

[0040] Medições de superfície podem proporcionar uma indicação de que peso se moveu da broca para o sub-escareador. Em geral, o torque de bit é proporcional ao WOB. Entretanto, para um sub-escareador, a constante de proporcionalidade será muito mais alta para a broca, uma vez que todos os cortadores estão localizados em grandes distâncias radiais, aumentando o torque induzido pelo mesmo peso. Portanto, embora medições de superfície provejam dados de peso e de torque com um deslocamento aplicado (devido p. ex. a perdas friccionais no poço), medir a correlação de alterações no peso e torque na superfície proporciona uma estimativa razoável da constante de proporcionalidade. Por exemplo, quando o sub-escareador encontra rocha mais dura, esta constante aumentará acentuadamente.

[0041] Em algumas circunstâncias uma indicação que peso se moveu da broca para o sub-escareador pode ser vista mais diretamente. Se o bloco viajando ainda estiver sendo avançado em uma taxa consistente com uma taxa de penetração mais alta, então o peso-no-bit subirá linearmente quando rocha mais dura for encontrada. Se for a broca que encontrou a rocha mais dura, então o torque de superfície também subirá linearmente. Por outro lado, se o sub-escareador que encontrou a rocha mais dura, o torque de superfície subirá quadraticamente (o peso total cresce linearmente, e a proporção dele no sub-escareador também cresce linearmente, proporcionando crescimento quadrático do torque). Claro, se o peso estiver se transferindo do sub-escareador para a broca, a mudança de torque será quadrática, mas ela será uma redução quadrática não um aumento.

[0042] Infelizmente, sem telemetria de alta velocidade, se o peso se transfere para o sub-escareador em menos que um segundo, então nenhum destes métodos proporciona ao perfurador, ou qualquer mecanismo de controle automático na superfície, tempo para evitar o excesso de carregamento de peso para o sub-escareador. BHA de exemplo [0043] A figura 1 mostra esquematicamente um aparelho para perfurar um furo 5. Uma coluna de perfuração 11 penetra o furo e termina na superfície no acionamento superior 7 de uma coluna de perfuração. Na extremidade furo abaixo da coluna de perfuração, um BHA inclui uma broca 2 e um sub-escareador 1 para perfurar e alargar o furo. O sub-escareador tem um primeiro diâmetro quando viajando, mas desdobra-se para o diâmetro de perfuração nominal quando em operação.

[0044] Um elemento concordante 6 ligando a broca ao sub-escareador permite a broca e sub-escareador se moverem um em relação ao outro na direção axial do BHA. O elemento concordante tem uma extensão de curso que define o espaçamento axial máximo e mínimo que pode ser produzido entre a broca e o sub-escareador por este movimento. Ele é pressionado no sentido da posição de curso total, mas a extensão do curso e concordância do elemento concordante são selecionadas tal que com peso normal aplicado à broca, o elemento concordante seja encurtado para cerca de 15% de seu comprimento de curso (isto é, ele move a broca no sentido do sub-escareador por uma distância que é aproximadamente igual a 85% da extensão do curso). Deste modo, quando peso é removido da broca, o elemento concordante se expande axialmente, aumentando assim a distância entre a broca e o sub-escareador. Quando peso é reaplicado, o elemento concordante retorna para sua posição original. Também, se peso adicional for aplicado à broca, o concordante pode encurtar adicionalmente dentro dos restantes 15% da extensão do curso.

[0045] Um elemento concordante adequado pode, por exemplo, ser baseado em uma ferramenta para manter penetração de furo subterrâneo como descrita na patente US n° 5476148 e patentes canadenses nos 2171178 e 2147063. Estas ferramentas tendo membros telescópicos externo e interno que são pressionados no sentido de uma posição aberta por uma pluralidade de molas.

[0046] Um elemento sensor de célula de carga 3, localizado entre o elemento concordante e a broca, inclui medidores de tensão [strain gauges] que medem o peso e torque entre o bit e o sub-escareador. Os dados das medições são enviados para a superfície via um transmissor 4, o qual pode usar p. ex. telemetria de pulso de lama ou por fio. Na superfície, um aparelho medidor de tensão 10 na linha final 9 da coluna mede a carga de gancho de superfície. O torque de superfície é medido p. ex. medindo a corrente requerida para acionar o acionamento superior 7. Células de carga adequadas são descritas, por exemplo, nas patentes US nos 5386724 e 6684949.

[0047] O BHA pode adicionalmente incluir um motor direcionável rotativo 21 que em operação força a broca 2 para uma direção preferida, por exemplo estendendo suportes contra a formação de uma maneira repetitiva sincronizada com a rotação da coluna de perfuração. Tais sistemas direcionáveis rotativos são conhecidos como tais. O sistema direcionável rotativo 21 é preferivelmente localizado próximo à broca 2, isto é, furo abaixo a partir do elemento concordante 6.

[0048] Introduzir o elemento concordante 6 entre o sub-escareador e a broca provê pelo menos três vantagens.

[0049] Primeiramente, quando o sub-escareador encontra material mais duro, o elemento concordante se expande. A transferência de peso para o sub-escareador é então muito mais lenta do que quando nenhum tal elemento está presente.

Por exemplo, com um elemento concordante tendo um curso de um 30,5 cm (1 pé), a 36,6 m/h (120 pés/hora) a transferência de peso da broca para o sub-escareador requererá pelo menos 30 segundos. Esta transferência gradual de peso pode prover o perfurador com tempo suficiente para identificar que foi o sub-escareador que encontrou rocha mais dura, e não a broca, e tomar ação apropriada. A identificação pode ser realizada, como explicado acima, procurando por uma subida gradual na constante de proporcionalidade entre o peso e torque de superfície, ou procurando por um aumento quadrático no torque de superfície.

[0050] Em segundo lugar, o elemento concordante pode por si próprio reduzir cargas de choque na ferramenta. Por exemplo, se a microestrutura em linha dura for suficientemente fina, então a microestrutura em linha pode ser perfurada antes que o elemento concordante tenha se estendido completamente, mantendo o peso fora do sub-escareador sem intervenção a partir da superfície. Também, o prolongamento do tempo durante o qual peso se transfere entre a broca e o sub-escareador virtualmente elimina os choques axiais gerados pelo processo de transferência de peso de alta velocidade quando nenhum elemento concordante está presente.

[0051] Ambas destas vantagens tenderão a reduzir desgaste de bit e aumentar ROP médio.

[0052] Uma terceira vantagem pertence particularmente a equipamento de furo subterrâneo tal como sistemas direcionáveis rotativos. Como explicado acima, quando peso se transfere da broca para o sub-escareador, em geral o torque atuando no BHA aumentará. Um aumento em torque no BHA que ocorra mais rápido que o sistema de acionamento rotacional (geralmente um acionamento superior ou mesa rotativa) possa responder fará a velocidade de rotação do bit e sub-escareador cair, e então aumentar novamente quando a resposta do sistema de acionamento alcançar o BHA. Esta oscilação pode persistir no sistema por um tempo considerável após o aumento de torque inicial, e pode até mesmo resultar no BHA girar para trás se a onda de tensão provocada pelo impulso inicial e aquela gerada pelo sistema de controle de acionamento rotacional se reforçarem entre si. As oscilações podem danificar equipamento de furo subterrâneo, especialmente os suportes de sistemas direcionáveis rotativos que pressionam contra a parede do furo e que podem ser danificados se girados ao contrário contra a parede. Entretanto, usando um elemento concordante de acordo com a presente invenção, é possível reduzir ou eliminar a possibilidade de tal dano.

[0053] Crucialmente importante na determinação de se tais oscilações foram iniciadas é o tempo durante o qual o torque furo abaixo aumenta comparado com o tempo que leva para a onda de cisalhamento gerada por aquele aumento de torque viajar até a superfície e a resposta do sistema de controle viajar de volta para baixo (o tempo de dois percursos do sistema) . Se a razão do tempo de aumento de torque para o tempo de dois percursos for pequena (menor que um) , oscilações serão geradas. Se ela for grande (maior do que dois), pouca oscilação resultará.

[0054] Ondas de cisalhamento em aço viajam ao redor de 3000 m por segundo, e assim o tempo de dois percursos para uma coluna de perfuração (medido em segundos) é aproximadamente o comprimento da coluna de perfuração (medido em metros) dividido por 1500. Portanto, uma coluna de perfuração de 6000 m terá um tempo de dois percursos de aproximadamente 4 segundos. Sem um elemento concordante entre o sub-escareador e o bit, em velocidades de perfuração ao redor de 30 metros/hora o tempo durante o qual o torque aumenta será uma fração de um segundo e, portanto oscilações de torque resultarão. Entretanto, com um elemento concordante tendo um curso de 20 cm, a 30 metros por hora o tempo de aumento de torque será 24 segundos, e, portanto com este exemplo, nenhuma oscilação de torque significativa ocorrerá.

[0055] O BHA mostrado na figura 1 também tem um elemento sensor de célula de carga 3 para medir a distribuição de peso e torque entre a broca e o sub-escareador. Sem tal elemento sensor, o perfurador tem que usar aproximações indiretas para determinar quanto peso, ou torque, está sendo aplicado a cada um de a broca e o sub-escareador. Entretanto, com o elemento sensor, o peso na broca é medido diretamente, e o peso no sub-escareador pode ser estimado subtraindo este do peso-no-bit de superfície, com uma tolerância para fricção em um poço altamente desviado. Similarmente, o elemento sensor provê uma medição direta do torque aplicado pelo bit. 0 torque requerido para virar o tubo no furo pode ser estimado quer medindo um torque de rotação a partir do fundo, ou, mais precisamente, calculando um coeficiente de fricção rotacional a partir do torque a partir do fundo e calculando as forças laterais a partir de pesquisas do poço e então a partir destas calculando a contribuição esperada a partir de fricção do poço quando peso é aplicado aos bits. Subtrair o torque friccional do poço e o torque de bit do torque de superfície total então proporciona o torque do sub-escareador. Medições de pressão dentro da coluna de perfuração, e no anel tubular também podem ser usadas para medir a queda de pressão através do bit e anel tubular inferior, e assim distinguir entre bloqueios ou erosão nos bicos da broca, e bloqueios ou erosão nos bicos do sub-escareador.

[0056] Se telemetria por pulso de lama ou eletromagnética de baixa freqüência for usada para transmitir as medições de furo abaixo para a superfície, o elemento concordante provê tempo para o perfurador receber as medições furo abaixo, e usa-las para confirmar se uma identificação preliminar de transferência de peso, a partir de medições de superfície isoladamente, está correta. Entretanto, telemetria preferivelmente por fio é usada para transmitir as medições. Neste caso, o perfurador recebe as medições efetivamente instantaneamente e em uma alta taxa, e pode usa-las para identificar transferência de peso à medida que ela ocorre.

[0057] Usando estas medições furo abaixo, o sistema de controle de superfície, quer manual ou automatizado, pode se empenhar para manter tanto a broca quanto o sub-escareador dentro de limites de peso e de torque, de modo a alcançar metas tais como maximizar a vida do bit, ou garantir que a seção do furo seja perfurada em um número mínimo de passadas de bit. Também, a medição de wb e wu permite as respectivas constantes de corte serem medidas à medida que a perfuração progride. A partir disto e da conhecida separação entre bit e sub-escareador, o tempo no qual o sub-escareador penetrará litologia diferenciada pode ser antecipado e aumentos súbitos em peso aplicado ao sub-escareador evitados ao invés de serem remediados após o fato.

[0058] Baseado na informação a partir de sensores mecânicos de furo subterrâneo, outros meios que ajuste de peso podem ser empregados na superfície para equilibrar o corte da broca e do sub-escareador. Por exemplo, se existir um motor de furo subterrâneo entre o sub-escareador e a broca, então a velocidade de rotação do sub-escareador é determinada unicamente pela velocidade de rotação do acionamento superior (ou Kelly), enquanto a velocidade de rotação do bit é a soma desta e da velocidade rotacional do motor - a qual é determinada pela taxa de fluxo de fluido de perfuração. Para aumentar a eficiência de corte do sub-escareador, enquanto não girando o bit excessivamente rápido, a velocidade de rotação do tubo pode ser aumentada enquanto simultaneamente reduzindo a taxa de fluxo.

[0059] Quando nenhum motor de furo subterrâneo está presente, a taxa de fluxo e velocidade de rotação podem ser usadas independentemente para influenciar o sistema de furo subterrâneo. As constantes de corte Pb e pu, para a mesma rocha em geral dependem da velocidade de rotação, e da taxa de fluxo e velocidade através dos bicos de bit. Se as dependências das constantes diferirem, então ajustando adequadamente a velocidade de rotação e/ou taxa de fluxo, a capacidade de corte de quer o sub-escareador ou do bit pode ser aumentada em relação à outra.

Controle de perfuração na ausência de medições de furo subterrâneo [0060] Mesmo se nenhum sensor de furo subterrâneo estiver presente, com o elemento concordante entre o sub-escareador e o bit, tanto a distribuição de peso entre a broca e o sub-escareador quanto as constantes de corte da broca e do sub-escareador podem ser inferidas indiretamente.

[0061] A concordância da coluna de perfuração depende da proporção do peso que está no sub-escareador. Se a concordância da coluna de perfuração acima do sub-escareador é λια e a concordância da coluna de perfuração entre o sub-escareador e a broca é Xb então a concordância aparente de toda a coluna de perfuração (λ) é dada por onde wb e wu são os pesos na broca e sub-escareador respectivamente.

[0062] A expressão acima pode ser re-arranjada para proporcionar a razão em peso entre a broca e o sub-escareador em termos de λ, Xb e λ0 [0063] A concordância aparente da coluna de perfuração pode ser monitorada por métodos conhecidos p. ex. como discutido na US 4843875. Se existirem somente colares de broca ou outros componentes padrões entre o sub-escareador e a broca, então a concordância λ*, será muito menor que λ„. Entretanto, com um elemento concordante entre o sub-escareador e a broca, as duas concordâncias serão comparáveis em tamanho, e a concordância aparente pode ser usada para monitorar os pesos relativos na broca e sub-escareador.

[0064] Para fazer isto, bem como medir a concordância aparente λ, nós temos que conhecer as concordâncias e Xb. λ*) pode ser determinada a partir da especificação do elemento concordante, ou por testes na superfície antes de correr para dentro do furo (p. ex. medindo a compressão do elemento concordante quando uma força conhecida é aplicada). Ela não muda à medida que a perfuração prossegue. λπ, entretanto, é mais dificil para avaliar teoricamente (medições de campo em geral nâo concordam precisamente com previsões teóricas), e aumentará à medida que assentos de tubo forem, adicionados à coluna de perfuração. Muito da discrepância é acreditada a ser devida a efeitos de concordância no maquinário e aparelho de sustentação.

[0065] A soma das duas concordâncias pode ser medida antes que o sub-escareador seja ativado (portanto nâo há peso no sub-escareador) , e a partir disto e da X-b teórica ou medida, a concordância Xu pode ser determinada no inicio da perfuração (p. ex. quando perfurando a sapata da carcaça, antes que o sub-escareador seja ativado) . À medida que a perfuração progride, ku pode ser aumentada adicionando a concordância teórica de cada assento de tubo à medida que ele é acrescentado.

[0066] Com um elemento concordante ligando a broca e o sub-escareador, quando um de a broca e o sub-escareador encontra material mais duro o monitoramento da concordância aparente, junto com o peso total transmitido por tanto o bit quanto o sub-escareador (isto é, a medição de WOB de superfície normal) permite o perfurador monitorar independentemente tanto o peso no sub-escareador quanto o peso-no-bit. Se W é o WOB de superfície (carga de gancho a partir do fundo menos carga de gancho), então W - wu + wb e, escrevendo r - wu/wb como determinado a partir da concordância aparente, os pesos no sub-escareador e bit são dados por [0067] Usando esta informação, e controlando o WOB de superfície, o perfurador pode evitar o sobrecarregamento de tanto o· sub-escareador quanto da broca.

[0068] Entretanto, informações adicionais podem ser obtidas por um teste de perfuração. Durante tal teste, o· freio de perfuração é travado mantendo o topo· da coluna de perfuração fixa, e a carga de gancho é medida durante o tempo.

[0069] A análise de um teste de perfuração na ausência de um sub-escareador é baseada na seguinte teoria.

[0070] A velocidade do bit é assumida proporcional ao WOB vb - PbWb, e a carga de ganho total H ê dada por H = W - wb onde M é o peso da coluna de perfuração.

[0071] Com o topo da coluna de perfuração mantido constante, a velocidade de bit é relacionada à carga de gancho por resolvendo para wt,: [0072] Adaptar a mudança observada em carga de gancho a uma função exponencial permite o coeficiente βί>/λ ser determinado. Se a concordância for conhecida, então isto permite a constante β:ο ser calculada.

[0073] Se um sub-escareador for acrescentado, então existe uma relação adicional no sub-escareador: vu = βα w,j, e as equações relacionando o alongamento na coluna de perfuração cora a força nela são: [0074] A solução para este conjunto de equações envolve a soma de dois termos de desintegração exponencial. Por meio· de que, escrevendo; wb = Wb exp(-st) wu = W.u exp (-st) então·: [0075] As duas soluções para isto obedecem à equação quadrática: as soluções para as quais são [0076] As duas raízes podem ser encontradas a partir da mudança observada na carga do gancho durante o teste de perfuração. O melhor ajuste da mudança medida contra o tempo para a soma de duas exponenciais é encontrado, os coeficientes das exponenciais sendo as duas raizes s+ e s_. Se as duas concordâncias λί: são conhecidas, então o relacionamento entre as raízes e as constantes de corte βυ e βϊ, pode ser invertido para calcular as constantes de corte.

Estas constantes de corte podem ser comparadas com aquelas esperadas para bits e sub-escareadores afiados quando perfurando a litologia corrente, ou valores obtidos de poços deslocados, para monitorar desgaste de bit e de sub-escareador, ou para diagnosticar outros problemas tais como empelotamento de bit.

[0077] Além disso, a partir das constantes de corte, a razão de equilíbrio de peso no bit para peso no sub-escareador pode ser recalculada, uma vez que se tanto a broca quanto o sub-escareador estiverem se movendo na mesma velocidade segue-se que: [0078] Portanto, embora sem sensores de furo subterrâneo o perfurador não tenha acesso a uma medida direta do peso na broca, as soluções delineadas acima podem ser usadas para inferir os pesos na broca e sub-escareador, as constantes de corte da broca e do sub-escareador, e também a razão de peso de equilíbrio entre a broca e o sub-escareador.

[0079] Embora a invenção tenha sido descrita em conjunção com as configurações exemplares descritas acima, muitas modificações e variações equivalentes estarão aparentes àqueles experientes na técnica quando apresentados a esta divulgação. Conseqüentemente, as configurações exemplares da invenção registradas acima são consideradas a serem ilustrativas e não limitantes. Várias modificações às configurações descritas podem ser feitas sem se desviar do espírito e escopo da invenção.

[0080] Todas as referências mencionadas acima são aqui incorporadas por referência.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Conjunto de furo de fundo tendo uma broca e um sub-escareador no lado de furo de cima da broca, caracterizado pelo fato de o conjunto adicionalmente ter um elemento concordante (6) ligando a broca (2) ao sub-escareador {1), o elemento concordante permitindo o deslocamento da broca (2) em relação ao sub-escareador (1) na direção axial do conjunto, sendo que o elemento concordante (6) está localizado furo abaixo do sub-escareador (1),

2. Conjunto de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento concordante (6) estar adaptado para permitir pelo menos 10 cm de deslocamento relativo.

3. Conjunto de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento concordante (6) ter uma concordância na faixa de 0,5 a 10 ocm/Newton.

4. Conjunto de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento concordante (6) ser pressionado no sentido de uma posição totalmente estendida a qual produz um deslocamento relativo máximo entre a broca {2) e o sub-escareador (1).

5. Conjunto· de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 4t caracterizado pelo fato de o elemento concordante (6) compreender uma mola para gerar a pressão.

6. Conjunto de furo de fundo, de acordo cora a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser direcionável rotativo.

7. Coo junto· de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o sistema direcionável rotativo {21) estar localizado na coluna de perfuração (11) furo abaixo do· elemento concordante (6) .

8. Conjunto de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente ter um elemento sensor (3) que está disposto para medir o peso-no-bit e/ou o torque aplicado da broca (2) , e um transmissor (4) para transmitir as medições de peso-no-bit e/ou torque aplicado para a superfície.

9. Conjunto de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um sensor (3) o qual é posicionado para medir o peso-no-bit e/ou o torque aplicado da broca (2).

10. Conjunto de furo de fundo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sub-escareador (1) ser projetado para aumentar seu diâmetro externo quando mudando de uma posição de viagem para uma posição de perfuração.

11. Método para controlar uma operação de perfuração de sub-escareamento, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: perfurar um poço (5) com o conjunto de furo de fundo tendo um elemento concordante (6) ligando a broca (2) ao sub-escareador (1) , o elemento concordante (6) permitindo deslocamento da broca (2) em relação ao sub-escareador (1) na direção axial do conjunto, sendo que o elemento concordante (6) está localizado furo abaixo do sub-escareador (1); monitorar o torque de superfície aplicado a uma coluna de perfuração (11); e controlar a operação de perfuração para evitar sobrecarregar o sub-escareador (1) ou a broca (2) quando o torque de superfície indicar que peso está se transferindo entre a broca (2) e o sub-escareador (1).

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender as etapas de: monitorar a carga de gancho de superfície, e correlacionar a carga de gancho de superfície com o torque de superfície; a operação de perfuração sendo controlada para evitar sobrecarregar o sub-escareador (1) ou a broca (2) quando a correlação da carga de gancho de superfície com o torque de superfície indicar que peso está se transferindo entre a broca (2) e o sub-escareador (1).

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de: medir o peso-no-bit e/ou o torque aplicado da broca (2) usando um elemento sensor (3); e controlar a operação de perfuração para evitar sobrecarregar o sub-escareador (1) ou broca (2) quando o peso-no-bit e/ou torque aplicado medidos indicarem que peso está se transferindo entre a broca (2) e o sub-escareador (1).

14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de: monitorar a concordância aparente da coluna de perfuração (11) usando medições de superfície; inferir a partir da concordância aparente a razão de pesos entre o sub-escareador (1) e a broca (2); e controlar a operação de perfuração para evitar sobrecarregar o sub-escareador (1) ou a broca (2) quando a razão de pesos indicar que peso está se transferindo entre a broca (2) e o sub-escareador (1).

15. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de: executar um teste de perfuração e medir a carga de gancho contra o tempo durante o teste; inferir a partir da carga de gancho medida contra tempo as constantes de corte da broca (2) e do sub-escareador (1).