BRPI0507122B1 - engrenagem de vetor rotativo - Google Patents

Abstract

engrenagem de vetor rotativo é apresentada uma engrenagem de vetor rotativo para controlar o desvio de eixo longitudinal em torno de um eixo longitudinal central. o dispositivo utiliza um movimento rotativo único através de uma engrenagem de vetor rotativo para produzir desvio hipotrocóidico semelhante a uma pétala de flor, e é capaz de retornar prontamente a desvio zero. o dispositivo pode ser usado em ferramentas de perfuração de óleo e gás dirigíveis rotativas de furo abaixo e em máquinas de fresar controladas por computador para prover um desvio controlado.

Description

“ENGRENAGEM DE VETOR ROTATIVO” Campo Técnico da Invenção A presente invenção refere-se ao campo de perfuração de óleo e gás. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um aparelho e método para selecionar ou controlar, a partir da superfície, a direção na qual avança no furo de poço.

Fundamentos da Invenção O operador de perfuração freqüentemente deseja desviar um furo de poço ou controlar a sua direção em um dado ponto dentro de uma formação de produção. Esta operação é conhecida como perfuração direcional. Um exemplo da mesma é para um poço de injeção de água, que geralmente é colocado nos bordos do campo e em um ponto baixo no campo (ou formação).

Além de controlar a direção de perfuração exigida, a formação através da qual o furo de poço é perfurado exerce, o tempo todo, uma força variável sobre a coluna de perfuração. Isto, juntamente com a configuração particular da sonda, pode fazer com que a broca de perfuração vagueie para cima, para baixo, para a direita ou para a esquerda. O termo industrial dado a este efeito é “trajeto de broca”, e muitos métodos para controlar ou redirecionar o trajeto de broca foram tentados na indústria. O efeito do trajeto de broca em um furo vertical pode ser controlado variando o tofque e o peso da broca durante a perfuração de um furo vertical. Entretanto, em um poço muito inclinado ou horizontal, o trajeto de broca se toma um problema importante.

Atualmente, a fim de desviar um poço para a direita ou para a esquerda, o sondador pode escolher dentre uma série de ferramentas de furo abaixo, tais como motores de furo abaixo, as assim chamadas “conexões dobradas” e, mais recentemente, ferramentas dirigíveis rotativas.

Uma conexão dobrada é um tubo curto que possui um pequeno dobramento para um lado, está fixado à coluna de perfuração, seguido por um instrumento de levantamento, do qual uma ferramenta MWD (de “Measurement While Drilling” - medição durante a perfuração, que transmite para a superfície informações de direção de furo de poço) é um tipo genérico, seguido por um motor de furo abaixo fixado à broca de perfuração. A coluna de perfuração é baixada no furo de poço e girada até que a ferramenta de MWD indique que o bordo anterior da broca de perfuração está voltado na direção desejada. É aplicado peso à broca através de colares de perfuração.E, bombeando fluido de perfuração através da coluna de perfuração, o motor de furo abaixo gira a broca. A Patente US N° 3.561.549 se refere a um dispositivo, que proporciona controle suficiente para desviar e iniciar um furo inclinado a partir do mesmo, ou controlar o trajeto de broca em um furo de poço vertical. A ferramenta de perfuração possui uma luva não rotativa com uma pluralidade de aletas (ou cunhas) de um lado é colocada imediatamente abaixo de um motor de furo abaixo que, por sua vez, está fixado a uma broca. A Patente US N° 4.220.213 se refere a um dispositivo, que compreende um mandril sobrecarregado. A ferramenta é projetada para aproveitar a gravidade porque o lado pesado do mandril buscará o lado baixo do furo. O lado baixo do furo de poço é definido como o lado mais afastado da vertical. A Patente US N° 4.638.873 se refere a uma ferramenta, que possui uma sapata com ação de mola e um lado pesado ponderado, que pode acomodar um enxerto medidor mantido no lugar por um pino retentor. A Patente US N° 5.220.963 apresenta um aparelho que possui um mandril rotativo interno alojado em três elementos não rotativos.

Conseqüentemente, já se sabe como corrigir um trajeto de broca em um furo de poço. Entretanto, caso ocorram durante a perfuração alterações das forças que causam o trajeto de broca, todas as ferramentas da técnica anterior precisam ser retiradas a fim de corrigir a direção do furo de poço. O requisito absoluto de remoção de ferramenta significa que é efetuada uma viagem de ida e volta. Isto resulta em abrir mão da segurança e em um enorme gasto de tempo e dinheiro. A Patente US N° 5.979.570 (também WO 96/31679) aborda parcialmente o problema de trajeto de broca em um furo de poço inclinado. O dispositivo descrito neste pedido de patente e patente compreende luvas interna e externa perfuradas excentricamente. A lua externa pode se mover livremente de modo que pode procurar o lado baixo do furo de poço, o lado sobrecarregado da luva excêntrica interna podendo ser colocado ou no lado direito ou no lado esquerdo da parte sobrecarregada da luva excêntrica externa para corrigir, de uma maneira binária, o trajeto de broca. A Patente US N° 6.808.027 (um dos co-inventores da qual é co-inventor do presente pedido de patente) apresenta uma ferramenta de furo abaixo aperfeiçoada que pode corrigir o trajeto de broca em um furo de poço muito inclinado e que pode controlar tanto a inclinação como o plano azimutal do furo de poço. Enquanto a Patente US N° 5.979.570 apresenta desvio de broca, a patente ‘027 apresenta uma abordagem de vetor (o aperfeiçoamento propriamente dito) chamada orientação de broca. A patente ‘027 utiliza uma série de luvas (ou carnes, dependendo da definição do termo) que podem ser excêntricas ou concêntricas para obter uma orientação de broca (o aperfeiçoamento) ou desvio de broca (apresentado na patente anterior, porém obtido por um dispositivo mecânico diferente). O presente pedido de patente apresenta uma técnica mecânica diferente para obter o vetor rotativo dentro da ferramenta de furo abaixo, e pode ser empregada no aparelho da Patente US N° 6.808.027, da Patente US N° 5.979.570 e em outros equipamentos de furo abaixo (usando estabilizadores, lâminas e semelhantes) que exigem um mecanismo de posicionamento interno.

Sumário da Invenção O dispositivo, definido como Sistema Ciclóide, Engrenagem de Vetor Rotativo, ou Acionamento Excêntrico, proporciona um aparelho para controlar seletivamente o desvio de um eixo longitudinal, que compreende: uma Luva Interna Acionada Concêntrica; uma Luva Excêntrica de Primeiro Estágio, ligada à luva interna acionada; uma Luva Excêntrica de Segundo Estágio; um Disco Ciclóide de dente externo, fixado ao excêntrico de segundo estágio; um Anel Ciclóide de dente interno (Anel Estacionário ou Conjunto de Rolete) fixado a um alojamento externo para reter o sistema ciclóide; e um meio acionador e de controle para girar a luva interna acionada, em que o sistema ciclóide proporciona um eixo longitudinal progressivo que depende da configuração do sistema ciclóide. O dispositivo ciclóide pode ser usado como uma unidade única ou como uma unidade dupla dentro de um ferramenta dirigível rotativa (embora se possa conceber opções que envolvem uma pluralidade de dispositivos dentro de um conjunto) para prover orientação de broca e impulso de broca. Se for utilizada uma unidade única, o sistema ciclóide fornecerá direcionamento de vetor de desvio de orientação de broca dentro do furo de poço; enquanto que um sistema ciclóide duplo fornecerá direcionamento de vetor de desvio de impulso de broca dentro do furo de poço. O uso de dispositivos ciclóides dentro de ferramentas de direcionamento de furo abaixo permite ao operador variar a severidade de pata de cachorro (ou grandeza de curvatura de furo abaixo) durante a operação de perfuração; enquanto que as ferramentas de direcionamento correntes possuem severidade de pata de cachorro fixa, que somente pode ser variada quando a ferramenta de direcionamento é conduzida para a superfície. O dispositivo pode ser usado também dentro de máquinas de ffesar controladas por computador, e semelhantes.

Na realização preferida, quando usada numa ferramenta dirigível rotativa, o dispositivo pode controlar a trajetória de furo de poço. Sensores podem ser montados no dispositivo ciclóide ou dentro do alojamento da ferramenta dirigível rotativa, que fornecem dados de referência de trajetória de furo de poço (ou seja, para cima/para baixo, sul/norte, leste/oeste, além de outros dados geofísicos exigidos). Estes dados podem ser encadeados através do sistema de controle a fím de proporcionarem ajustes em tempo real à engrenagem ciclóide, com isto controlando a trajetória de furo de poço. Um enlace de comunicação pode ser estabelecido com um protocolo de comunicação que permitirá comunicação em tempo real entre a ferramenta dirigível rotativa e a superfície, deste modo provendo maior controle de ferramenta dirigível rotativa e controle de severidade de pata de cachorro da trajetória de furo de poço.

Descrição Resumida dos Desenhos A figura 1 é um recorte isométrico do presente dispositivo que mostra o anel de rolete ciclóide estacionário que corre contra o alojamento externo, a luva interna concêntrica unida à luva excêntrica rotativa de primeiro estágio, a luva excêntrica de segundo estágio, o mandril rotativo interno, e mostrando apenas o disco ciclóide interno. A figura 2 é uma vista lateral em seção transversal do presente dispositivo. A figura 3 é uma seção transversal, segundo a linha A-A da figura 2, do presente dispositivo, que mostra o anel de rolete ciclóide estacionário que corre contra o alojamento externo, o disco ciclóide, a luva excêntrica rotativa de segundo estágio e o mandril rotativo interno; A figura 4 é uma seção transversal, segundo a linha B-B da figura 2, que mostra o alojamento externo, a luva excêntrica rotativa de primeiro estágio, a luva excêntrica de segundo estágio e o mandril rotativo interno. A figura 5 mostra o presente dispositivo instalado numa ferramenta de furo abaixo (que descreve a realização que utiliza dois dispositivos ciclóides - um em cada extremidade. A figura 6 mostra o Movimento Hipotrocóidico aplicado ao centro do mandril rotativo pelo disco ciclóide ao rolar dentro do conjunto de rolete.

As figuras 7A-F são ilustrações altamente simplificadas de diversas implementações do presente dispositivo empregadas numa ferramenta com lâminas, dirigível, rotativa e de furo abaixo. A figura 8 mostra outros detalhes de selos usados dentro do presente dispositivo. A figura 9 mostra outros detalhes para o sistema de suporte usado com uma ferramenta de furo abaixo que incorpora o presente dispositivo.

As figuras 10A a 10F mostram outros padrões que podem ser aplicados ao centro (ou eixo longitudinal) do disco ciclóide. A figura 11 ilustra a relação entre o eixo de referência e o eixo geométrico controlado do presente dispositivo, e mostra o movimento hipotrocóidico usado numa ferramenta dirigível.

Descrição Detalhada da Realização O sistema será descrito supondo que será usado numa ferramenta dirigível rotativa de furo abaixo; entretanto, deve ficar entendido que o sistema de acionamento ciclóide pode ser usados em outros aparelhos para prover controle progressivo do desvio do eixo longitudinal. O sistema de engrenagem de vetor rotativo ou ciclóide é incluso em um alojamento externo de aproximadamente 3,66 metros (12 pés) de comprimento constituído por sete seções de seção presa por pino ou rosqueada. O comprimento total da ferramenta é de aproximadamente 4,88 metros (16 pés). A figura 5 mostra o sistema ciclóide contido numa ferramenta dirigível rotativa que utiliza um alojamento externo desviado para interagir com a parede do furo de poço, deste modo criando o fulcro para estabelecer o vetor de broca.

Com referência agora às figuras 1-4, o dispositivo ciclóide consiste em seis componentes principais: uma Luva de Entrada Concêntrica, 1, ou Luva Rotativa; uma Luva Excêntrica de Primeiro Estágio, 2, ligada à luva de entrada, 1, e às vezes, referida como a Luva Interna; um Disco Ciclóide de Dente Externo, 3, uma Luva Excêntrica de Segundo Estágio, 4, às vezes, referida como a Saída ou Anteparo; um Anel Ciclóide de Dente Interno, 5, ou Conjunto de Rolete, e um meio acionador e de controle, 6-8, para girar a luva interna. O anel ciclóide de dente interno 5 é retido dentro de um alojamento externo 9. O alojamento externo normalmente seria a própria ferramenta de furo abaixo que contém o(s) sistema(s) ciclóide, baterias e semelhantes, e proporciona o fulcro necessário para a coluna de perfuração. Se o sistema ciclóide for utilizado em um outro dispositivo, então este dispositivo proveria o alojamento externo. O acionador habitualmente é um motor de CC sem escova, 6, acoplado a um conjunto de eixo e engrenagem 1. O conjunto de controle, embora não faça parte do presente dispositivo, é crítico no que se refere à operação do dispositivo. O conjunto de controle consiste em sistemas de telemetria e baterias que respondem a entradas de controle a partir da superfície, e acionam o motor de CC sem escova 6, o qual, por sua vez, posiciona o acionamento cíclico, com isto aplicando o vetor de broca exigido à broca de perfuração de furo abaixo.

Será descrito agora o funcionamento do Dispositivo Hipotrocóidico. Com referência às figuras 1 a 4, à medida que o motor de acionamento 6 se move, o movimento é aplicado, através do eixo/engrenagem 7, à engrenagem de coroa 8, sobre a luva concêntrica 1, deste modo girando tanto a luva (de acionamento) concêntrica como a luva excêntrica de primeiro estágio 2, em tomo do eixo longitudinal que passa através do centro do anel ciclóide estacionário 5, que é essencialmente o eixo longitudinal do dispositivo global. A luva excêntrica de primeiro estágio 2, ao girar, transfere movimento para a luva excêntrica de segundo estágio 4, um tanto como um cabo de manivela rotativo. (Note-se que a luva excêntrica de segundo estágio é excêntrica dentro do eixo geométrico do disco ciclóide, conforme será explicado, e um pouco desviada do eixo longitudinal em tomo do qual giram a luva concêntrica e a luva excêntrica de primeiro estágio). Isto faz com que o disco ciclóide 3 se mova dentro do anel ciclóide 5. Como as duas luvas interagindo são excêntricas, o movimento axial muito pequeno do disco ciclóide faz com que os dentes externos do disco 3 se movam dentro dos dentes internos do anel ciclóide estacionário 5. Esta ação aplica um movimento inverso (em comparação com o movimento da luva concêntrica/luva excêntrica de primeiro estágio) em tomo do eixo longitudinal. (Cumpre notar que, quando o dispositivo é empregado numa ferramenta dirigível rotativa, o eixo desviado na realidade cai na linha de centro do furo de poço: daí o seu uso em operações de perfuração). A ação resultante descrita acima é semelhante à de uma roda rolando ao longo do interior de um anel. Conseqüentemente, quando a roda (Disco Ciclóide 3) se desloca no sentido horário em tomo do anel (o anel ciclóide 5), a roda gira no sentido anti-horário em tomo de seu próprio eixo.

Os dentes externos do Disco Ciclóide 3 engrazam sucessivamente os cientes internos (ou roletes) do Anel Ciclóide Estacionário 5, provendo assim uma rotação inversa a uma velocidade reduzida. Há um dente a menos no Disco Ciclóide do que o número de pinos no Conjunto de Rolete, o que resulta numa taxa de redução igual ao número de dentes no Disco Ciclóide (aproximadamente 20:1). A combinação do conjunto de rolete (anel ciclóide 5) com o disco (disco ciclóide 3) é referida como um engrenagem de vetor rotativa. Cumpre notar que podem ser usados pinos simples dentro do conjunto de rolete, entretanto as forças de atrito se reduzem bastante com emprego de pinos de roletes.

Agora é importante estudar a luva excêntrica de segundo estágio que desvia efetivamente o eixo do Disco Ciclóide, com isto aplicando um segundo eixo longitudinal paralelo ao eixo longitudinal da engrenagem de vetor rotativo que passa pelo centro do rolete estacionário 5, que pode ser referido como o eixo longitudinal controlado, ou o eixo controlado. O eixo longitudinal da engrenagem de vetor rotativo pode ser referido como o eixo longitudinal de referência ou o eixo de referência. A fig. 11 mostra os dois eixos e o padrão hipotrocóidico preferido.

Na realização preferida, o segundo eixo, ou eixo controlado, é desviado de 3,81 mm (0,15 de polegada). Conforme mostra a figura 6, quando o Disco Ciclóide é girado, o eixo controlado gera um movimento hipotrocóidico semelhante ao padrão de pétalas de flor (corola). O número de pétalas gerado é determinado pela razão de tamanhos (diâmetro do círculo primitivo) entre o Disco Ciclóide e o Anel Estacionário. Esta equação é R/(R-r), em que: R = diâmetro do círculo primitivo do Anel Estacionário, e r = o diâmetro do círculo primitivo do Disco Ciclóide. Este movimento hipotrocóidico é transmitido através do Conjunto de Engrenagem de Vetor Rotativo (Disco Ciclóide 3, em combinação com o Anel Estacionário 5) através do excêntrica de segundo estágio 4 (ou anteparo).

Observando as figuras 2-4, o leitor pode perceber que a figura 2 não ilustra o excêntrico dentro do Excêntrico de Primeiro Estágio simplesmente porque este excêntrico é girado fora do plano do desenho. Este excêntrico é mostrado em seção transversal nas figuras 3 e 4.

Na realização preferida, usada numa ferramenta dirigível rotativa de furo abaixo mostrada na fig. 5, o conjunto de segundo estágio contém um mancai radial que suporta um Mandril 10. O mandril, por sua vez, está acoplado à coluna de perfuração, conseqüentemente o movimento hipotrocóidico é transmitido à coluna de perfuração.

Existe uma relação interna entre a razão de tamanhos do Disco Ciclóide/Anel Estacionário e o desvio no Disco Ciclóide. Para cada rotação do excêntrico de primeiro estágio é gerada uma “pétala de flor”, já que é vantajoso que, durante esta rotação, a coluna de perfuração passe através de um desvio "0" (concêntrico), a dimensão do desvio excêntrico no Disco Ciclóide pode ser apenas a metade da diferença dos diâmetros do círculo primitivo do Disco Ciclóide e do Anel Estacionário.

Especificamente, um projeto dirigível rotativo que utiliza a engrenagem de vetor rotativo correntemente possui um diâmetro de 14,478 cm (5,7 polegadas) de diâmetro do círculo primitivo de Disco Ciclóide, e um diâmetro do círculo primitivo de Anel Estacionário de 15,24 cm (6,0 polegadas) com um desvio de 0 a 7,62 mm (0,3 de polegada) com 20 ápices a desvio(s) máximo(s), com rotação se processando seqüencialmente, conforme mostra a figura 6. O prosseguimento em seqüência é importante para corrigir, de forma eficiente e rápida, o rolamento lento de alojamento externo. O primeiro ápice é mostrado em linha mais grossa, e representa uma revolução completa da luva interna acionada. Cada ponto de primeiro ápice pode ser considerado correspondente a uma interação de um dente interno com um dente externo dentro das engrenagens de vetor rotativo.

Assim, começando em 0; 0,3 (notação convencional nos eixos xy) e seguindo o raio em volta é possível ter desvios em pontos variáveis no plano positivo começando em 0; 0,3, atravessando aproximadamente 0,13; 0,20 e passando através de 0; 0, aproximadamente -0,08; 0,20 e de volta para 0,0; 0,28. O ápice seguinte se desloca para a direita e fornece pontos variáveis. O sistema de controle e acionador deve então acompanhar o número de voltas da luva acionada interna, o que permite conhecer (pelo sistema de controle) o desvio real. Altemativamente, podem ser empregados sensores para determinar a posição do Excêntrico de Primeiro Estágio e do Excêntrico de Segundo Estágio, com isto permitindo determinar a posição exata do desvio. É necessária comunicação entre um ponto de ajuste, externo ao dispositivo, e o sistema de controle e acionador. O ponto de ajuste externo, no caso de uma ferramenta dirigível rotativa, seria a unidade de controle de superfície. Esta unidade, ou o sistema de controle ciclóide, precisa saber quantas voltas da luva interna foram ordenadas, e em seguida saber quantas voltas serão necessárias para posicionar o desvio na posição exigida. Um sistema moderno baseado em computador não terá dificuldade em rastrear a posição corrente do desvio de engrenagem rotativa de vetor e terá condições de enviar as informações exigidas para o sistema de controle e acionador associado do dispositivo ciclóide.

No uso preferido do dispositivo dentro de uma ferramenta dirigível rotativa, se o desvio conhecido for em seguida referido a um sensor de gravidade ou sistema de controle inercial, então a posição exata do eixo controlado com referência à linha de centro de furo de poço pode ser determinada e controlada. O uso de um sensor de gravidade ou sistema de controle inercial permitirá ao meio acionador e de controle compensar o rolamento lento do dispositivo dirigível rotativo. A figura 8 mostra um leiaute proposto para selos quando a engrenagem de vetor rotativo é usada numa ferramenta dirigível rotativa de furo abaixo. A ferramenta dirigível rotativa possui 6 selos rotativos e aproximadamente 13 selos estáticos. Outras realizações podem usar mais ou menos selos rotativos ou selos estáticos, e o número de selos mostrado na figura 8 não deve ser considerado uma limitação. Um mecanismo separado de compensação de pressão, não mostrado, será necessário para equilibrar a pressão ambiente e a pressão interna de ferramenta. A figura 9 mostra um sistema de suporte preferido para o dispositivo de engrenagem de vetor rotativo conforme usado numa ferramenta dirigível rotativa de furo abaixo. Cargas de escora e radiais são transmitidas através do alojamento primeiro, através de mancais lubrificados da lama, que são concêntricos ao Mandril, segundo, através de mancais selados que são concêntricos à luva rotativa, e finalmente através de mancais de escora selados que são concêntricos ao alojamento. Ambas as extremidades, distai e proximal, da ferramenta apresentam este esquema de suporte.

Dados os parâmetros dimensionais, a forma hipotrocóidica pode ser produzida com a seguinte equação cartesiana paramétrica: x - (a - b) cos(t) + c cos ((a/b - l)t), y = (a - b)sen(t) - c sen(a/b - l)t). Na qual a = raio do Anel Estacionário, b= raio do Disco Ciclóide, e c= distância a partir do centro do Disco Ciclóide para produzir um segundo eixo desviado. O computador do dispositivo utilizaria esta equação para determinar o número de voltas da luva interna para acionar o disco ciclóide de modo que o movimento hipotrocóidico resultante coloque o vetor rotativo na posição exigida. Ou seja, a broca é orientada na direção exigida pela operação de perfuração.

Os conceitos de desvio de broca e orientação de broca (o assim chamado Vetor Rotativo) estão descritos na Patente US N° 6.808.027, de McLoughlin et al.). Entretanto, esta engrenagem de vetor rotativo pode ser utilizada numa ferramenta dirigível rotativa para alcançar os mesmos resultados. O uso de uma engrenagem de vetor rotativo conforme descrita é um grande aperfeiçoamento pelo fato da severidade de pata de cachorro poder ser ajustada dentro da ferramenta a partir da superfície. As figuras 7A-7C mostram uma vista simplificada de uma ferramenta dirigível rotativa que emprega a engrenagem de vetor rotativo dessa apresentação; enquanto que as figuras 7D e 7E mostram exatamente como a orientação de broca (inclinação de broca) e o impulso de broca são obtidos por ação de fulcro dentro de uma ferramenta dirigível rotativa. As figuras 7E esclarecem os símbolos usados nas figuras 7D e 7E, quais sejam, o tipo de mancai (rolete esférico, excêntrico com um mancai, etc), a posição do disco ciclóide, o excêntrico de primeiro estágio, e semelhantes. A figura 9 mostra outros detalhes de suporte. A figura 7A mostra dois dispositivos de engrenagem de vetor rotativo ou ciclóides (o sistema ilustrado nas figuras 1-4) instalados numa ferramenta dirigível rotativa de furo abaixo. Esta disposição específica resulta em um impulso de broca. Ou seja, os dois discos ciclóides operam juntos (ou seja, são unidos em conjunto ao mesmo sistema de acionamento e controle) para desviarem o mandril a partir da linha de centro do furo de poço. A figura 7B mostra uma única engrenagem de vetor rotativo ou dispositivo ciclóide e um suporte de mancai de rolamento instalados em extremidades opostas de uma ferramenta dirigível rotativa. Esta disposição específica resulta em uma orientação de broca. Ou seja, o disco ciclóide e o mancai único operam juntos para apontar o mandril em afastamento da linha de centro do furo de poço. A figura 7C mostra um dispositivo único instalado no centro de uma ferramenta dirigível rotativa com o mandril sendo suportado em qualquer das extremidades por mancai. O dispositivo único atua para impelir o mandril para fora de centro no meio. Isto resulta também em orientação de broca.

As figuras 7D e 7E mostram como qualquer uma das configurações acima pode ser usada em conjunto com um estabilizador externo para de fato obter impulso de broca ou inclinação (orientação) de broca. A figura 7D - Impulso de Broca - mostra como um estabilizador colocado acima ou por trás de uma ferramenta rotativa que emprega o presente dispositivo aplica uma força lateral (ou para o lado) à broca. A figura 7E - Orientação de Broca - mostra como um estabilizador colocado (solidário com a broca) entre a ferramenta rotativa que emprega o presente dispositivo aplica uma variação de ângulo (ou orientação de broca) à broca. É importante perceber que o presente dispositivo pode ser usado numa ferramenta dirigível rotativa que emprega um alojamento cheio (sobrecarregado) conforme descrito nas Patentes US anteriores (ver a discussão anterior) em vez de luvas (concêntricas e excêntricas) ou carnes que produzem as configurações de impulso de broca e orientação de broca. (Aqui a palavra "carne" é usada intercambiavelmente com a palavra "luva"). O alojamento - cheio - sobrecarregado tende para o “lado mais baixo” do fiiro de poço. Ou seja, o peso do alojamento sob a força da gravidade rastreia o lado baixo, deste modo proporcionando estabilização de lado baixo. Conforme descrito na técnica anterior, uma ferramenta dirigível rotativa precisa de um método para dirigir ou desviar a broca em relação à direção ou desvio de uma referência estável dentro do furo de poço. É possível usar uma ferramenta dirigível rotativa que é estabilizada por um sistema de controle de realimentação com referência a gravidade interna ou inércia (tal como um acelerômetro) ou com emprego de um dispositivo anti-rotação que acopla o furo de poço. Consequentemente, o presente dispositivo pode ser usado no dispositivo concebido pelos inventores como um carne aperfeiçoado instalado dentro da ferramenta das Patentes US citadas ou como pertencente a uma nova classe de ferramenta dirigível rotativa.

Cumpre notar que o padrão e o número de "pétalas" são estabelecidos pela relação entre a, b e c na equação acima.

Conseqüentemente, a escolha de padrões depende da imaginação do usuário. Isto pode se mostrar útil em máquinas de fresar controladas por computador, e semelhantes. Portanto, o sistema (ciclóide) de engrenagem de vetor rotativo pode ser aproveitado numa miríade de aplicações fora da indústria de óleo e gás. As figuras 10A a 10F mostram diversos modelos exemplificativos junto com os valores de parâmetro exigidos. Estas figuras ilustram também a razão pela qual o padrão da figura 4 é o preferido para emprego em perfuração rotativa porque este padrão (ou escolha de parâmetros) resulta numa progressão sucessiva (ou em seqüência) de movimento de eixo e retoma muitas vezes para o zero.

Embora o dispositivo tenha sido descrito para uso preferido numa ferramenta dirigível rotativa conforme utilizada na indústria de perfuração, o dispositivo pode ser empregado em qualquer equipamento que exija controle de posição. Conseqüentemente, a descrição acima não deve ser considerada uma limitação, mas a melhor realização e descrição do dispositivo.

REIVINDICAÇÕES

Claims (21)

1. Engrenagem de vetor rotativo para dispor sequencial mente um eixo controlado em torno de um eixo de referência dentro de um furo de poço, que compreende: uma luva acionada concêntrica {1} adaptada para girar em torno do eixo de referência; meio de acionamento (6, 7, 8) para girar a luva acionada concêntrica (1); uma luva excêntrica de primeiro estágio (2) ligada à luva acionada interna (1); e uma luva excêntrica de segundo estágio (4) adaptada para girar em torno do eixo controlado; caracterizada pelo fato de que compreende ainda: um diseo ciclóide de dente externo (3), fixado ao excêntrico de segundo estágio (4); um anel ciclóide estacionário de dente interno (5) adaptado para ser fixado a um alojamento externo (9) de uma ferramenta dirigível rotativa para reter o sistema ciclóide,

2. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda meio de controle (6, 7, 8) para operar o meio de acionamento (6T 7, 8) e deste modo dispor seqüencialmente o eixo controlado de uma maneira previsível.

3. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o eixo controlado se move segundo um padrão hipotrocóidico em relação ao eixo de referência sempre que a luva acionada concêntrica (1) é girada pelo meio de acionamento (6, 7, 8).

4. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio de controle (6, 7, 8) está adaptado ainda para reter a posição relativa do eixo controlado em relação ao eixo de referência e responder a sinais externos com o que o eixo controlado pode ser colocado numa posição conhecida em relação ao eixo de referência.

5. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o alojamento externo (9) possui duas extremidades adaptadas para uso em um furo de poço e está adaptada ainda para receber uma coluna de perfuração, e em que o sistema ciclóide produz um desvio da coluna de perfuração a partir do centro do furo de poço, com isto resultando em direcionamento de orientação de broca ou impulso de broca estabelecido pela configuração do sistema ciclóide contido na ferramenta dirigível rotativa.

6. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a referida configuração compreende um sistema ciclóide único posicionado próximo do ponto médio e entre dois mancais esféricos colocados nas extremidades da ferramenta dirigível rotativa, com isto provendo uma variação angular da coluna de perfuração resultando em direcionamento de orientação de broca.

7. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a referida configuração compreende dois sistemas ciclóides unidos entre si, colocados respectivamente próximos das extremidades da ferramenta dirigível rotativa, com isto provendo um desvio axial à coluna de perfuração que resulta em direcionamento de impulso de broca.

8. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a referida configuração compreende um sistema ciclóide único posicionado próximo de uma extremidade da ferramenta dirigível rotativa, e compreende ainda um mancai esférico colocado na outra extremidade da ferramenta dirigível rotativa, com isto provendo uma variação angular da coluna de perfuração resultando em direcionamento de orientação de broca.

9. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a ferramenta dirigível rotativa incorpora um sistema de guia inercial adaptado para prover referência de posição de furo de poço, e em que o sistema de controle está adaptado para se comunicar com a ferramenta dirigível rotativa.

10. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a ferramenta dirigível rotativa está adaptada ainda para se comunicar com a superfície, deste modo provendo direcionamento quando solicitado, ao mesmo tempo controlando a severidade de pata de cachorro do direcionamento.

11. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o anel ciclóide estacionário de dente interno (5) é adaptado para ser fixado ao interior do alojamento externo (9), a engrenagem compreende ainda meio de controle (6, 7, 8) para operar o meio de acionamento (6, 7, 8) e deste modo dispor seqüencialmente o eixo controlado de uma maneira previsível, em que o alojamento dirigível rotativo contém o meio de acionamento (6, 7, 8) e o meio de controle (6, 7, 8), e em que o eixo controlado e o eixo central do furo de poço são superpostos um ao outro.

12. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o sistema ciclóide fornece direcionamento de orientação de broca ou de impulso de broca estabelecido pela configuração do sistema ciclóide contido na ferramenta dirigível rotativa.

13. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a ferramenta dirigível rotativa está adaptada para receber uma coluna de perfuração, sendo que o alojamento externo (9) da ferramenta dirigível rotativa possui duas extremidades, e em que a referida configuração compreende um sistema ciclóide único colocado próximo do ponto do meio e entre dois mancais esféricos colocados nas extremidades da ferramenta dirigível rotativa, com isto provendo variação de ângulo à coluna de perfuração que resulta em direcionamento de orientação de broca.

14. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a referida configuração compreende dois sistemas ciclóides unidos entre si, posicionados respectivamente próximos das extremidades da ferramenta dirigível rotativa, com isto provendo direcionamento de impulso de broca.

15. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a referida configuração compreende um sistema ciclóide único posicionado próximo de uma extremidade da ferramenta dirigível rotativa, e compreende ainda um mancai esférico colocado na outra extremidade da ferramenta dirigível rotativa, com isto provendo direcionamento de orientação de broca.

16. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o sistema de controle (6, 7, 8) incorpora sensores adaptados para prover dados de referência de furo de poço, e em que o sistema de controle (6, 7, 8) pode realizar ajustes em tempo real no eixo controlado, com isto influenciando a trajetória de furo de poço.

17. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que o sistema de controle (6, 7, 8) incorpora um protocolo de comando de modo que os ajustes da trajetória de furo de poço possam ser comandados da superfície.

18. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a severidade de pata de cachorro da trajetória de furo de poço é controlada.

19. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a ferramenta dirigível rotativa está adaptada para uso em um furo de poço e provê controle da trajetória de furo de poço, em que o meio de controle (6, 7, 8) é colocado para controlar a severidade de pata de cachorro da trajetória de furo de poço; em que o sistema de controle (6, 7, 8) incorpora sensores adaptados para prover dados de referência de furo de poço, e em que o sistema de controle (6, 7, 8) pode realizar ajustes em tempo real no eixo controlado, com isto controlando a trajetória de furo de poço.

20. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que o sistema de controle (6, 7, 8) incorpora um protocolo de comando de modo que os ajustes da trajetória de furo de poço possam ser comandados da superfície.

21. Engrenagem de vetor rotativo de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que os ajustes relativos à severidade de pata de cachorro podem ser realizados da superfície.