BRPI0508389B1 - coluna de perfuração para uso na perfuração de um furo de poço e método para a perfuração de um furo de poço com uma coluna de perfuração - Google Patents

Abstract

sistema para a perfuração de um furo de poço com uma broca de perfuração e com um tubo de perfuração com fio portando potência elétrica a partir da superfície, coluna de perfuração para uso na perfuração de um furo de poço e método para a perfuração de um furo de poço com uma coluna de perfuração. métodos e aparelhos para a perfuração de um furo de poço são mostrados. um motor elétrico acoplado de forma elétrica e de forma mecânica a um tubo de perfuração com fio é provido. o motor elétrico se acopla a um eixo que gira, quando a potência é suprida para o motor elétrico. o eixo é acoplável a uma broca de perfuração. o tubo de perfuração com fio transfere eletricidade para o motor elétrico a partir da superfície. a operação do motor elétrico gira o eixo. a broca de perfuração desgasta o terreno para a formação do furo de poço no terreno.

Description

COLUNA DE PERFURAÇÃO PARA USO NA PERFURAÇÃO DE UM FURO DE POÇO E MÉTODO PARA A PERFURAÇÃO DE UM FURO DE POÇO COM UMA

COLUNA DE PERFURAÇÃO

Referência Cruzada a Pedido Relacionado [001] Este pedido reivindica a prioridade para o pedido de patente provisório U.S. comumente possuído número de série 60/549.852, depositado em 3 de março de 2004, intitulado "Rotating Systems Associated with Drill Pipe", de Daniel D. Gleitman, Paul F. Rodney e James H. Dudley.

Antecedentes [002] Em sistemas tradicionais para perfuração de furos de poço, a destruição de rocha é realizada através de uma potência rotativa portada pela rotação da coluna de perfuração na superfície, usando-se uma mesa rotativa ou por uma por rotativa derivada do fluxo de lama poço abaixo se usando, por exemplo, um motor de lama. Através destes modos de provisão de potência, brocas tradicionais, tais como brocas tricônicas, compactas de diamante policristalino ("PDC") e de diamante, são operadas a velocidades e torques supridos na mesa rotativa de superfície ou pelo motor de poço abaixo.

[003] Em algumas circunstâncias e sob as algumas condições de perfuração, quando se usam estas técnicas tradicionais, a taxa de perfuração (ou taxa de penetração, ou "ROP") pode ser comprometida. Quando isso ocorre, o operador tem várias opções para melhoria da taxa de perfuração. O operador pode manobrar para retirar a coluna de perfuração para um novo conjunto de perfuração com maior probabilidade de ser bem sucedido na perfuração sob as circunstâncias existentes. Alternativamente, se uma mesa rotativa na superfície prover a potência de perfuração, o operador pode mudar a velocidade de rotação em uma faixa relativamente estreita, tal como aproximadamente 60 a 250 revoluções por minuto ("rpm"). Se o sistema de perfuração incluir um motor de deslocamento positivo ("PDM") de poço abaixo, o operador pode mudar a velocidade do motor por uma faixa, por exemplo, de aproximadamente 150 rpm para aproximadamente 300 rpm (para um motor de 17,145 cm de velocidade média). Uma mudança na velocidade do motor pode produzir, contudo, mudanças de vazão proporcionais que podem ter um efeito profundo na limpeza do furo, na perda de pressão e em outros fatores. Ainda como uma outra alternativa, o operador pode tentar ajustar o peso sobre a broca pelo ajuste da carga de gancho na superfície.

[004] Em todas estas técnicas, o operador está remoto, tanto na distância quanto no tempo, em relação às condições de furo de poço mudando que causaram a ROP comprometida. Como uma conseqüência, pode levar algum tempo para que a ROP comprometida se manifeste na superfície e para o operador reconhecer que a ROP diminuiu. Além disso, as ações de resposta do operador, tal como o ajuste da velocidade de rotação, da carga de gancho ou da vazão, são igualmente remotas da broca no fundo. Vários fatores de carga, tais como torque e arrasto, podem atenuar a ação de controle do operador e comprometer sua efetividade.

[005] Um movimento contínuo, incluindo uma rotação, da coluna de perfuração tem benefícios importantes além da transferência de potência para a broca. O consumo de torque e arrasto ao longo da coluna de perfuração, devido a perdas por atrito, pode reduzir o peso e o torque rotativo disponíveis para serem transferidos para a broca, o que pode fazer com que a potência disponível na broca seja variável ou imprevisível. Esta variabilidade de potência pode, por sua vez, comprometer a ROP. Uma fonte importante de perda por atrito é o atrito estático, o qual tipicamente ocorre durante períodos não rotativos, paradas momentâneas do tubo durante um deslizamento devido a uma aderência / um escorregamento, e paradas periódicas durante adições de tubo de perfuração. Além do atrito estático, uma coluna de tubo imóvel tem maior probabilidade de se tornar diferencialmente agarrada devido a um diferencial de pressão entre o furo e a formação. Ainda, uma rotação de tubo é conhecida por manter os cortes móveis e fora do fundo do furo, especialmente em poços horizontais.

Breve Descrição dos Desenhos [006] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de uma coluna de perfuração de exemplo em um furo de poço.

[007] A Figura 2 é uma ilustração esquemática de um sub de reação de torque de exemplo.

[008] A Figura 3 é uma ilustração esquemática de um sub de embreagem dinâmica de exemplo.

[00 9] A Figura 4 é uma ilustração esquemática de um motor elétrico, volante e embreagem alojados em uma coluna de perfuração, com um eixo disponível para acionamento da broca, um alternador e um desequilíbrio rotativo opcional para a criação de um sub de vibração.

[010] A Figura 5 é uma ilustração esquemática de um sub de vibração de exemplo.

[011] A Figura 6 é uma ilustração esquemática de uma turbina de coluna de perfuração e um volante.

Descrição Detalhada [012] A Figura 1 ilustra esquematicamente um novo método de perfuração e um aparelho. Uma coluna de perfuração 10 inclui um tubo de perfuração com fio 100. A coluna de perfuração 10 está localizada dentro de um furo de poço 20 em uma formação 30. O tubo de perfuração com fio 100 pode incluir juntas de tubo as quais contêm condutores nas paredes de tubo de perfuração. O tubo de perfuração com fio 100 pode utilizar uma tubulação dentro do furo do tubo (por exemplo, centralizada no centro ou orientada contra o diâmetro interno de furo de tubo) para o transporte de condutores. O tubo de perfuração com fio 100 pode utilizar, por exemplo, conectores de alinhamento de centro em cada junta de tubo, conectores macho e fêmea fazendo um contato elétrico conforme as conexões apoiadas rotativas de tubo de perfuração forem constituídas. Em certas modalidades, o tubo de perfuração com fio 100 pode compreender uma tubulação contínua para o transporte de fluido de perfuração e para se pendurar o conjunto de fundo de poço, com condutores integrais com a parede de tubulação ou contidos em uma tubulação de diâmetro menor dentro do furo da tubulação contínua. O tubo de perfuração com fio 100 pode transportar, por exemplo, da ordem de 250 kW a 1 MW de potência elétrica poço abaixo, de modo a não depender de uma rotação de superfície ou de um fluxo de lama para uma potência permanente para uso na perfuração. O tubo de perfuração com fio 100 adicionalmente pode transportar sinais de medição e controle entre a superfície e vários pontos poço abaixo.

[013] Um sub de vibração 200 pode ser utilizado em vários pontos na coluna de perfuração, para se garantir que a coluna esteja em um estado dinâmico, mesmo quando não rodando ou progredindo poço abaixo. Uma suite tipica de perfilagem durante perfuração <"LWD") 300 pode ser utilizada para uma detecção direcional e de formação. Um sub de motor elétrico 400 pode ser posicionado abaixo da suite de LWD 300 e acima de uma broca 500. O sub de motor elétrico 400 aloja um motor elétrico, não mostrado na Figura 1, que comanda a rotação da broca 500 . A coluna de perfuração 10 de exemplo alternativamente pode incluir um sub de motor acionado por fluido no lugar do sub de motor elétrico 400, discutido em maiores detalhes mais tarde nesta descrição. A coluna de perfuração 10 ainda pode incluir um sub de reação de torque 600 e uma embreagem 700, ambos os quais sendo discutidos em maiores detalhes mais tarde nesta descrição. Um processador em tempo real 800 pode controlar a operação da coluna de perfuração 10 e de seus componentes, como discutimos em detalhes mais tarde nesta descrição.

[014] Embora não mostrado na Figura 1, o motor elétrico dentro do sub de motor elétrico 400 poderia ser um motor DC sem escovas. Este motor DC sem escovas poderia operar com um controle de comutação, como descrito no Pedido de Patente U.S. N° 10/170.960, depositado em 18 de dezembro de 2003, intitulado ''Digital Adaptative Sensorless Commutational Drive Controller for a Brushless DC Motor", cedido à cessionária desta exposição. Isto é, o motor DC sem escova pode ser comutado por um circuito de controlador adaptativo digital para receber sinais de detector de força contra-eletromotriz digitais. Os sinais de força contra- eletromotriz poderiam ser usados para indicarem se voltagens nos enrolamentos no motor DC sem escova estão acima de um nivel de limite. As voltagens poderiam ser comparadas com niveis previamente detectados para se determinar se as voltagens de enrolamento são como esperado. Métodos conhecidos alternativos podem ser usados, ao invés disso, para a comutação do motor DC sem escova.

[015] Em uma coluna de perfuração 10 de exemplo, um alojamento 410 para o sub de motor elétrico 400 gira com a coluna de perfuração 10, por exemplo, a aproximadamente de 60 a aproximadamente 250 rpm. A broca 500 gira em relação ao alojamento 410 a uma taxa muito mais alta, tal como de aproximadamente 1000 rpm a aproximadamente 2000 rpm. Assumindo que o mesmo torque aproximado esteja disponível para a broca 500, como estaria disponível com um sistema de perfuração tradicional (por exemplo, uma perfuração apenas com uma rotação de superfície ou com um PDM acionado por lama), e a rpm seja 10 vezes mais alta, a potência disponível para ruptura da rocha seria 10 vezes mais alta do que com um sistema tradicional.

[016] Em uma coluna de perfuração convencional, um motor de lama de 17,145 cm pode prover 74,6 kW consistentes para a broca, quando perfurando um furo de 21,59 cm, a uma vazão de 102,2 m3/h e uma perda de pressão de 3,447 MPa. Se um motor elétrico fosse substituído pelo motor de lama para a execução do mesmo serviço, esta vazão e a perda de pressão corresponderíam a em torno de 7 4,6 kW de potência elétrica (não considerando o fator de eficiência do motor elétrico, a qual em geral é razoavelmente alta). Assumindo que 1 MW pleno de potência elétrica possa ser tornado disponível para o motor elétrico na coluna de perfuração 10, esta potência aumentada representa uma ordem de magnitude plena a mais de potência do que a energia disponível em um motor de lama típico. O operador pode preferir, contudo, limitar a potência elétrica sendo alimentada pela coluna de perfuração 10 para o sub de motor elétrico 400 para em torno de 250 kW. Mesmo esta quantidade é igual a várias vezes a potência disponível através de um motor de lama de 17,145 cm típico, e a potência elétrica neste caso estaria disponível sem o consumo de 3,447 MPa de pressão de lama por um motor de lama. Esta pressão, portanto, está disponível para outras finalidades, incluindo uma limpeza de furo aumentada na broca 500.

[017] Na perfuração de alguns furos de poço, uma potência suficiente pode estar disponível poço abaixo, mas a potência não está em forma usável. Por exemplo, a potência disponível poço abaixo pode não estar disponível como velocidade. Um motor elétrico é especialmente apropriado para circunstâncias nas quais a velocidade de broca extra pode ser usada para se romper mais efetivamente e remover a rocha. A tecnologia de broca de diamante existente é particularmente efetiva a velocidades altas, e os motores elétricos seriam ideais para o acionamento delas.

[018] Independentemente de a velocidade de rotação de broca mais alta ser realizada com o mesmo nível de potência que é atualmente usado, tal como em torno de 74,6 kW, ou os níveis de potência mais alta que podem ser produzidos como resultado de uma potência elétrica aumentada provida para o motor, um volante opcional pode ser usado para a provisão de uma potência ainda mais aumentada, ou torque naquela alta velocidade, para uns poucos momentos a minutos, quando necessário, para se romper um ponto duro em uma formação. Nós discutimos este volante em maiores detalhes mais tarde nesta descrição.

[019] O operador pode dirigir a broca 500 pela manutenção do alojamento 410 de sub de motor elétrico em um modo não rotativo, enquanto, ao mesmo tempo, se orienta a broca. Esta ação pode ser completada pela "afiação" da broca 500 com um par de excêntricos (não mostrados nas figuras), como descrito na Patente U.S. N° 6.640.909, intitulada "Steerable Rotary Drilling Device" cedido à cessionária desta exposição. Quando da direção, o operador pode preferir manter o alojamento de motor em um modo deslizante, com sua orientação referenciada para o furo de poço.

[020] Em certas circunstâncias, um torque extremo pode ser desejado ou requerido, mesmo que apenas por um momento, para o rompimento de uma região dura em uma formação. Para a acomodação dessa exigência de torque aumentada, sem se enrolar excessivamente a coluna de perfuração 10, um sub de reação de torque 600 pode ser provido para a transferência de torque para a formação imediatamente acima da broca 500 e do sub de motor elétrico 400. Esta transferência pode ser prática apenas quando a porção inferior do conjunto de fundo de poço ("BHA") , tal como o alojamento de sub de motor elétrico 410, estiver deslizando.

[021] A Figura 2 ilustra esquematicamente um sub de reação de torque 600 de exemplo em seção transversal com a linha de centro 601. 0 sub de reação de torque 600 de exemplo pode incluir as rodas 610, as quais podem ser atuadas através de solenóides 611. Para fins de ilustração apenas, a Figura 2 ilustra uma roda 610 na sua posição retraída, enquanto uma outra roda 610 está em sua posição estendida. As rodas 610 podem ter uma borda de corte rígida de um material tal como um carbureto ou diamante, para escavação da formação 30. Neste caso, as rodas 610 podem se alinhar com o eixo geométrico do furo de poço 20 e ter direções de rolamento preferidas paralelas ao eixo geométrico de furo de poço, de modo a se restringir uma rotação do alojamento do sub de reação de torque 600. Alternativamente, as rodas 610 podem incluir uma área ampla rígida para contato com a parede do furo de poço 20 e utilizar uma força radial significativa dali, por exemplo, solenóides 611. Em qualquer caso, o sub de reação de torque 600 pode transferir um torque significativo através das rodas 610, enquanto se permite que a coluna de perfuração 10 viaje na direção axial.

[022] Em algumas circunstâncias, o operador pode desejar manter o alojamento 410 de sub de motor elétrico no modo deslizante, quando de uma direção ou durante outras operações, tal como uma transmissão de torque na formação, como referenciado acima. Ao mesmo tempo, o operador pode desejar continuar a rodar a coluna de perfuração 10 para remover cortes e impedir a coluna de perfuração de experimentar arrasto estático e aderência no furo de poço 20. Para a acomodação de ambas as preocupações, a coluna de perfuração 10 opcionalmente pode incluir uma embreagem 700. Em particular, a coluna de perfuração 10 pode incluir um sub de embreagem dinâmica, como descrito no Pedido de Patente U.S. depositado em 4 de março de 2004 intitulado "Providing a Local Response to a Local Condition in an Oil Well", protocolo legal número 063718.0523, pelos mesmos inventores (referido a partir deste ponto como o "Pedido de Patente de Resposta Local").

[023] A Figura 3 é um desenho esquemático, lateral em seção transversal de uma modalidade de um sub de embreagem dinâmica 1000 de exemplo que tem uma linha central 1001. O sub tem um conector de caixa 1002 no topo para a constituição da coluna de perfuração. Um alojamento 1003 é rosqueado no exterior do conector de caixa 1002, onde selos de anel em 0 1004 completam a conexão. Uma inserção eletrônica 1005 pode ser conectada ao interior do conector de caixa 1002. Uma placa de circuito impresso ("PCB") 1006 pode ser alojada na inserção eletrônica 1005. A placa de circuito impresso pode ser controlável pelo processador de superfície em tempo real 800, não mostrado na Figura 3. O processador 800 pode estar localizado fora do sub 1000, tal como na superfície. A PCB 1006 pode incluir um ou mais sensores, preferencialmente para a detecção da orientação de rotação, da velocidade de rotação, das acelerações tangenciais, ou de deformações de torção, como pode ser útil no controle de um sub de embreagem dinâmica. Uma câmara de equilíbrio 1010 pode ser definida entre o conector de caixa 1002 e o alojamento 1003. A câmara de equilíbrio 1010 pode ser dividida em uma seção de fluido de lama no topo e uma seção de fluido hidráulico no fundo por um pistão de equilíbrio 1011. A seção superior da câmara de equilíbrio 1010 se comunica em termos de fluido com o exterior (espaço anular entre o sub e o revestimento, não mostrado) do sub 1000 através de uma janela de equilíbrio 1012. O fluido hidráulico pode ser injetado na câmara de equilíbrio 1010 através de um bujão de enchimento 1013. A câmara de equilíbrio 1010 também pode ter uma mola na porção de lama superior para orientação do pistão de equilíbrio 1011.

[024] Um mandril rotativo 1015 pode ser constituído para o interior do conector de caixa 1002 e do alojamento 1003. O mandril rotativo 1015 pode ter duas partes, uma seção de atrito 1016 e um conector de pino 1017. A seção de atrito 1016 e o conector de pino 1017 podem ser rosqueados um no outro e anéis em 0 1018 podem completar a conexão. Uma placa de atrito 1019 pode ter uma estrutura tipo de anel e pode ser afixada a uma superfície voltada para cima da seção de atrito 1016. Um mancai radial 1020 pode estar posicionado entre a seção de atrito 1016 e o conector de caixa 1002. Um mancai de escora 1022 pode estar posicionado entre a extremidade de fundo da seção de atrito 1016 e um flange de alojamento 1021 que se estende radialmente para dentro a partir de uma extremidade inferior do alojamento 1003. Um mancai radial 1023 pode estar posicionado entre o conector de pino 1017 e o flange de alojamento 1021. Um mancai de escora 1024 pode estar posicionado entre uma face para cima do conector de pino 1017 e o flange de alojamento 1021.

[025] Uma câmara de mancai 1025 pode ser definida entre o alojamento 1003, o conector de caixa 1002 e o mandril rotativo 1015. Uma extremidade superior da câmara de mancai 1025 pode ser selada por selos rotativos 1026 entre a seção de atrito 1016 e o conector de caixa 1002. Uma extremidade inferior da câmara de mancai 1025 pode ser selada por selos rotativos 1027 entre o conector de pino 1017 e o alojamento 1003. A câmara de mancai 1025 pode ser conectada em termos de fluido à câmara de equilíbrio 1010 através de um espaço 1028 . A câmara de equilíbrio 1010 permite que um fluido hidráulico seja mantido em e em torno do mancai, independentemente da pressão sendo gerada no exterior do sub 1000.

[026] Um arranjo de solenóides 1007 pode ser conectado ao fundo do conector de caixa 1002. Um barramento de comunicação / potência 1008 comunica sinais de controle entre a PCB 1006 e o arranjo de solenóides 1007, e, em uma modalidade, também comunica uma interface elétrica rotativa 1030 entre faces opostas da estrutura do conector de caixa 1002 e o mandril rotativo 1015. Esta interface elétrica rotativa pode compreender simplesmente um sensor de rotação relativa.

[027] Em outras modalidades, o barramento de potência de comunicação 1008 também se estende através desta interface elétrica rotativa 1030 no mandril rotativo 1015 para conexão a um conjunto de sensor (não mostrado), o qual preferencialmente pode detectar parâmetros similares àqueles denominados anteriormente, os quais podem ser incluídos na placa de circuito impresso 1006, mas aqui esses parâmetros associados ao mandril rotativo. Esta extensão de barramento de comunicação / potência 1008 pode adicionalmente se estender ao longo do mandril 1015 e conectar a outros elementos de coluna de perfuração conectados ao fundo do sub. Nessas modalidades, a interface elétrica rotativa 1030 pode compreender uma interface de tipo indutivo ou de tipo de escova.

[028] Um arranjo de pistões 1009 pode se estender a partir do arranjo de solenóides 1007 e ter placas de embreagem 1014 afixadas a eles. As placas de embreagem 1014 podem ser posicionadas opostas à placa de atrito 1019, de modo que quando o arranjo de solenóides 1007 estiver engajado as placas de embreagem 1014 se estendam para contatarem e fazerem pressão contra a placa de atrito 1019. Esta ação restringe um movimento de rotação relativa entre o mandril rotativo 1015 e o conector de caixa 1002. Uma mola de retorno 1029 pode ser posicionada entre um flange no alojamento 1003 e as placas de embreagem 1014, para a liberação das placas de embreagem 1014 da placa de atrito 1019, quando o arranjo de solenóides 1007 for desativado. As placas de embreagem 1014 também podem se encaixar em uma estria 1028 entre as placas de embreagem 1014 e o alojamento 1003, para se evitar um movimento de rotação enquanto se permite um movimento axial.

[029] A quantidade de torque traduzida de um lado do sub de embreagem dinâmica para o outro depende dos sinais de controle aplicados ao arranjo de solenóides 1007. Os sinais de controle podem ser providos por um controlador independente na PCB 1006 ou podem ser providos através da PCB 1006 pelo processador em tempo real 800, discutido mais tarde nesta descrição. Um conjunto ou uma série de embreagem e placas de atrito operando em conjunto (não mostrado) alternativamente pode ser empregado, para aumento da área de contato e, desse modo, para redução da exigência de pressão de contato na obtenção da capacidade de torque mecânico requerida. Em uma outra modalidade (não mostrada), as molas de retorno 1029 podem ser posicionadas de modo a se criar uma condição de contato padrão entre as placas de embreagem 1014 e as placas de atrito 1019, desse modo se permitindo um deslizamento e uma rotação relativa apenas quando os solenóides estiverem ativados.

[030] Retornando à Figura 1, a coluna de perfuração 10 poderia ser rodada a partir da superfície a uma rpm relativamente baixa, com a embreagem 700 engatada de uma maneira dinâmica para se deslocar de forma contínua e precisa o torque reativo do motor elétrico dentro do sub de motor elétrico 400 e da broca 500 e levar aquela reação para cima pela coluna de perfuração 10 até a superfície e para a parede do furo de poço 2 0 através de perdas por atrito. Este deslocamento preciso de torque de motor permite que o operador mantenha o alojamento 410 de sub de motor elétrico em uma orientação aproximadamente constante no furo de poço 20 - ou pelo menos impedir que a orientação do alojamento 410 de sub de motor elétrico varie rápido demais para o excêntrico de afiação de broca 500 reajustar a broca 500.

[031] Caso a broca 500 encontre um topo de formação particularmente dura que requer mais torque do que a coluna de perfuração 10 pode acomodar com segurança, o sub de reação de torque 600 pode ativar rodas de leme 610 para encaixe na parede de furo de poço 20 e prover um curto-circuito de torque na formação 30. O BHA ainda pode avançar, mesmo quando as rodas de leme 610 se encaixarem na formação 30. A embreagem 700 de desengataria plenamente ou manteria um nível de transmissão de toque para cima pela coluna de perfuração 10 que estaria abaixo do limite de segurança da coluna de perfuração 10, mas que ainda permitiria que a coluna fosse girada a partir da superfície.

[032] Um processador em tempo real 800 pode ser acoplado à coluna de perfuração 10 e prover um controle em tempo real para o sub de motor elétrico 400, a embreagem 700 e o sub de reação de torque 60 0. Como mostrado na Figura 1, o processador 800 pode estar localizado na superfície, se desejado. O processador 800 pode compreender duas ou mais unidades de processamento que podem ser distribuídas nos elementos da coluna de perfuração 10. O processador 800 poderia controlar a corrente disponível para o sub de motor elétrico 400, ou a capacidade de torque. Também, o processador 800 poderia controlar a velocidade do motor para o motor elétrico em um sub de motor elétrico 400 e atuar as rodas de leme 610 do sub de reação de torque 600 para encaixe com ou desencaixe da parede de furo de poço 20. O processador 800 também poderia controlar a embreagem 700 para se encaixar parcial ou plenamente. A coluna de perfuração 10 requerería sensores apropriados poço abaixo para ajudarem na realização destas funções de controle. Qualquer uma das funções de controle do sub de motor elétrico 400, da embreagem 700 e do sub de reação de torque 600 pode ser realizada pelos controladores distribuídos que em si estão sob o controle do processador 800. Por exemplo, a coluna de perfuração 10 pode incluir torque e sensores de RPM (não mostrados) nos dois lados da embreagem 700 e sensores de deslocamento nas rodas de leme 610 (também não mostrados). Ainda, a coluna de perfuração 10 poderia alimentar a corrente do motor e as forças contra-eletromotrizes para os controles.

[033] A Figura 4 ilustra esquematicamente uma vista detalhada de uma porção da coluna de perfuração descrita acima, com o sub de motor elétrico 400. Um motor elétrico 420 dentro do sub de motor elétrico 400 se acopla a um eixo 425. 0 eixo 425, por sua vez, pode se acoplar à broca 500, não mostrada na Figura 3. O eixo 425 de forma alternativa ou adicional pode se acoplar a um sub de vibração, discutido mais tarde nesta descrição. Um motor elétrico de exemplo 420 pode incluir enrolamentos para a formação de um estator 430 que é fixado em um colar 440. Dadas as exigências de fator de forma do ambiente de perfuração, o estator 430 pode compreender múltiplos estatores 431 em série acionando um rotor único 432 . O rotor 432 pode incluir conjuntos de imãs 436 dispostos em torno do rotor, com um conjunto de imã 436 correspondente a cada um dos múltiplos estatores 431. Os múltiplos estatores 431 podem ser configurados com múltiplos conjuntos de imã de rotor 436 para a provisão do estabelecimento de um circuito magnético fechado em cada "estágio" de estator. Um arranjo como esse permite que o motor elétrico 420 proveja uma maior saida de potência do que um motor elétrico de estágio único poderia prover. 0 rotor 432 pode estar em mancais radiais e de escora 433 (mostrados esquematicamente), e pode ter um canal 434 para fluxo de lama. Uma luva interna (não mostrada) opcionalmente pode ser usada em mancais no rotor 432 e fixada quanto a uma rotação a partir de uma chaveta acima ou abaixo, para se evitar que o fluxo de lama interaja com o rotor 432, conforme ele rodar a altas velocidades. Os enrolamentos de motor podem ser enrolados através de uma interface de pendurai 435 para uma sonda 450 centralizada no colar 440 acima do motor elétrico 420. A sonda 450 opcionalmente pode conter elementos do circuito de controle de motor e uma interface de comunicações com o processador em tempo real 800, não mostrado na Figura 4. O processador 800 pode estar localizado fora da sonda 450; por exemplo, o processador 800 pode estar localizado na superfície. A interface de pendurai 435 pode prover uma interface elétrica enquanto se permite que o fluxo de lama transite de um fluxo anular em torno da sonda 450 para um fluxo central através do rotor 432.

[034] O rotor 432 pode ser fixado a um volante opcional 900 abaixo ou acima do rotor 432. 0 volante 900 pode prover ao rotor 432 uma inércia que permite que a combinação de motor elétrico - volante proveja uma saída de potência em um impulso ou uma base de duração curta que é maior do que a saída pelo motor elétrico 432 apenas. Essa potência aumentada pode ser usada para várias finalidades, incluindo a ruptura de uma seção de rocha particularmente dura embutida em uma formação de outra forma perfurável. Por exemplo, o motor elétrico 420 pode acionar a broca 500 e o volante 900 a velocidades de aproximadamente 1000 rpm até ar pressurizado 3000 rpm. A combinação de motor elétrico, broca e volante desse modo pode desenvolver uma potência muito maior (como calculado pela multiplicação da velocidade pelo torque) para a ruptura e a limpeza de formações do que a potência gerada através da perfuração tradicional rotativa ou baseada em motor de lama.

[035] Um volante 900 de exemplo para uso em um colar de 17,143 cm poderia ter 152,4 cm de comprimento e ter um diâmetro externo de 11,684 cm e um diâmetro interno de 7,62 cm. Se, por exemplo, o volante 900 fosse feito de aço e girasse a 3000 rpm, ele poderia prover energia cinética em uma base "como necessário" de 13,964 kJ ou 3,879 Watt-hora. Conforme a broca 500 se engaja em um ponto duro na formação, e a exigência de torque subseqüentemente aumenta de forma impulsiva correspondente a aproximadamente uma revolução de broca a 3000 rpm (isto é, 0,02 segundos), a energia suprida pelo volante 900 representaria um extra de 697,23 kW por aquele breve intervalo.

[036] Vários parâmetros de projeto de volante 900 podem ser ajustados para a provisão de maior energia armazenada. Um volante de 7,62 m pode ser implementado em um colar de comprimento padrão, ou 9, 144 m; se feito de aço, um volante como esse proveria 19,678 Watt-hora de energia. Se o volante 900 fosse feito de uma substância mais pesada, tal como tungstênio, ele poderia prover mais do que o dobro da energia que um volante 90 0 de aço projetado de forma comparável poderia prover. Até agora, nos discutimos volantes de diâmetros relativamente pequenos. Para a perfuração de furos maiores, a coluna de perfuração 10 pode empregar um volante 900 com um diâmetro externo significativamente maior. Um sub de diâmetro externo de 24,45 cm poderia ser usado na perfuração de furos de 31,115 cm ou maiores, e poderia empregar um volante com um diâmetro externo de 17,78 cm e um diâmetro interno de 10,16 cm. Essa mudança aumentaria a capacidade de energia do volante 900 por um fator de quatro vezes, os outros parâmetros de projeto sendo iguais.

[037] O volante 900 alternativamente poderia ter a embarcação acoplada e desacoplada do percurso de rotação. A Figura 4 ilustra o conjunto de embreagem 750 que poderia ser usado para o encaixe do volante com o eixo ou o encaixe do motor com o volante (não mostrado), como descrito anteriormente nesta descrição.

[038] 0 volante 900 também pode ser usado para outras finalidades. Durante conexões, tal como quando os operadores adicionam um novo tubo de perfuração na superfície, a potência elétrica suprida através do tubo de perfuração com fio 100 pode ser desconectada. Pelo uso do volante 900 para acionamento de um alternador (não mostrado na Figura 4), ou simplesmente ao se permitir que o volante 900 contra-acione o motor elétrico 420, uma potência elétrica ampla pode ser tornada disponível para a maioria das funções. A perfuração provavelmente não estaria ocorrendo durante a adição de um tubo, já que o fluxo de lama e o peso sobre a broca 500 da superfície também estariam interrompidos. Contudo, circunstâncias podem requerer que a coluna de perfuração 10 se mantenha em movimento, e o volante 900 pode ser usado para se manter o estado dinâmico da coluna de perfuração 10.

[039] Por exemplo, o volante 900 poderia se encaixar diretamente em um sub de vibração mecânica 200 através da embreagem 750, como mostrado na Figura 3. O sub de vibração 200 pode ser um sub de membro com alívios de diâmetro externo no exterior, para redução da rigidez. Este sub poderia conter um outro volante de deslocamento menor 220 em mancais em torno do eixo 425, mas com seu centro de massa deslocado do centro do colar 440. Conforme o volante 900 se encaixa através da embreagem 750, o volante de deslocamento 220 representa um desequilíbrio de rotação e trepidaria o colar 440 e uma parte significativa da coluna de perfuração 10. Através de uma transmissão, a freqüência de trepidação do sub de vibração 200 poderia ser projetada para ser baixa, ou mesmo intermitente, embora periódica, de modo a se conservar a energia do volante 900 e prover um período mais longo de utilidade até a potência elétrica ser restabelecida. A coluna de perfuração 10 também pode empregar subs de vibração 200 ou outros desequilíbrios de rotação para cima e para baixo na coluna de perfuração 10, durante a perfuração, para ajudar na manutenção de uma transferência de peso consistente a partir da superfície e reduzir a probabilidade de a coluna de perfuração 10 aderir à lateral do furo de poço 20. Múltiplos subs de vibração 200 poderíam ser empregados em vários locais ao longo da coluna de perfuração 10, para se mantê-la dinâmica.

[040] Como discutido anteriormente nesta descrição, o volante 900 pode ser usado para a geração de eletricidade. A potência elétrica pode ser usada para acionamento do sub de vibração 200. Um exemplo de um sub de vibração acionado eletricamente 200 poderia ser um sub de piezo-vibração, como descrito abaixo. A Figura 5 ilustra esquematicamente um sub de vibração 1100 de exemplo em seção transversal com uma linha de centro 1101. Uma porção de um sub de pino 1102 é mostrada também para a qual o sub de vibração 1100 é constituído. O sub de vibração 1100 tem um alojamento 1103 feito de duas seções, as quais são rosqueadas em conjunto. O alojamento superior 1104 tem uma rosca fêmea na qual roscas machos no alojamento inferior 1105 são rosqueadas. Selos de anéis em O 1106 completam a conexão. Uma inserção eletrônica 1107 pode ser posicionada entre o alojamento superior 1104 e o alojamento inferior 1105, e pode ser grampeada e chavetada no alojamento superior 1104 através de um anel de travamento 1109. Uma placa de circuito impresso 1108 pode estar contida na inserção eletrônica 1107. Um conector 1112 se estende a partir do sub de pino 1102 para uma comunicação elétrica com a inserção eletrônica 1107. A placa de circuito impresso pode ser controlável pelo processador de superfície em tempo real 800 . A placa de circuito impresso pode incluir um ou mais sensores discutidos anteriormente nesta descrição, para uso com o sub de embreagem dinâmica 1000; a PCB preferencialmente pode incluir um sensor de vibração axial ou um acelerômetro útil para controle do sub de vibração. Uma câmara de equilíbrio 1110 pode ser definida entre o alojamento superior 1104 e o alojamento inferior 1105, e a inserção eletrônica 1107. A câmara de equilíbrio 1110 pode ser dividida em uma porção de lama acima e uma porção hidráulica abaixo por um pistão de equilíbrio 1111. A porção de lama da câmara de equilíbrio 1110 acima do pistão de equilíbrio 1111 se comunica com a lama de espaço anular de furo de poço através da janela de equilíbrio 1112. O lado de óleo da câmara de equilíbrio 1110 abaixo do pistão de equilíbrio 1111 se comunica com o diâmetro interno do sub de vibração 1100 através da janela de equilíbrio 1108. O fluido hidráulico é inserido na câmara de equilíbrio 1110 através de um bujão de enchimento 1113.

[041] Um mandril 1114 pode ser constituído em um alojamento inferior 1105. A porção superior do mandril 1114 é inserida entre o alojamento inferior 1105 e a inserção eletrônica 1107, onde selos de anel em O 1115 selam a conexão entre o mandril 1114 e a inserção eletrônica 1107. Uma câmara de pilha 1116 pode ser definida entre o alojamento inferior 1105 e o mandril 1114. A câmara de pilha 1116 pode estar em comunicação de fluido com a câmara de equilíbrio 1110 através de um espaço 1117 entre o mandril 1114 e o alojamento inferior 1105. As duas câmaras podem estar em comunicação de fluido adicional com a câmara de equilíbrio 1110 (lado de óleo) através da janela 1118 em uma porção superior do alojamento inferior 1105.

[042] Dentro da câmara de pilha 1116, uma pilha anular de cristais piezoelétricos 1119 pode ser presa ao mandril 1114. Uma massa de ponta anular 1120 pode ser posicionada imediatamente no topo dos cristais piezoelétricos 1119. Parafusos de tração 1121 podem se estender através da massa de ponta 1120 e dos cristais piezoelétricos 1119 e ser rosqueados diretamente no fundo da câmara de pilha 1116 definida pelo mandril 1114. Os parafusos de tração 1121 mantêm os cristais piezoelétricos 1119 e a massa de ponta 1120 em compressão. Um barramento de comunicação / potência elétrico 1122 se estende a partir da inserção eletrônica 1107 para os cristais piezoelétricos 1119. Como antes, as características do sub de vibração dinâmica podem ser controladas através da placa de circuito 1108 pelo processador de superfície em tempo real 800.

[043] Uma câmara de mola 1123 também pode ser definida entre o alojamento inferior 1105 e o mandril 1114. Uma mola 1124 pode estar posicionada dentro da câmara de mola 1123 para se encaixar no mandril 1114 no fundo e no alojamento inferior 1105 no topo. A câmara de mola 1123 pode ser selada por selos de anel em O 1125 no fundo. A câmara de mola 1123 pode estar em comunicação de fluido com a câmara de pilha 1116 através de um espaço 1126 entre o mandril 1114 e o alojamento inferior 1105. Uma estria 1127 pode ser configurada no espaço 1126 para a prevenção de um movimento de rotação relativa entre o mandril 1114 e o alojamento inferior 1105, enquanto se permite um movimento relativo na direção axial.

[044] Uma porção superior do mandril 1114 pode ter um entalhe 1128 para o recebimento de múltiplas chavetas 1129, as quais se estendem a partir do alojamento inferior 1105. As chavetas podem ser presas no alojamento inferior 1105 por bujões selados 1130. As chavetas 1129 impedem uma rotação e retêm o mandril 1114 no alojamento 1103, quando o sub de vibração 1100 estiver sob tração. 0 sub de vibração 1100 é colocado sob tração, por exemplo, quando a coluna de tubo for constituída para o conector de pino 1131 e suspensa abaixo do sub de vibração 1100, e especialmente quando a coluna de tubo estiver sendo manobrada para dentro e para fora do furo de poço.

[045] O sub de vibração 1100 também pode inclui um conjunto de mini-sensor 1132. Os sensores do conjunto de sensor 1132 são posicionados no exterior do mandril 1114, onde o mandril se estende abaixo do alojamento 1103. O conjunto de sensor 1132 pode ser eletricamente conectado ao barramento de comunicação / potência 1122 por cobre com um bujão de selo e, preferencialmente, inclui os sensores como citado acima que poderíam ser úteis na monitoração e/ou no controle do sub de vibração.

[046] Em certas implementações do aparelho de perfuração, um motor acionado por fluido pode ser substituído pelo sub de motor elétrico 400. Um motor acionado por fluido pode ser de um tipo de deslocamento positivo ou pode ser uma turbina de coluna de perfuração. A Figura 6 ilustra esquematicamente uma seção transversal de uma porção de coluna de perfuração 10 com uma turbina 1200. A turbina de coluna de perfuração 1200 pode incluir múltiplos estágios de rotores 1201 e estatores 1202, os rotores 1201 acoplados para o acionamento do eixo 425 e os estatores 1202 acoplados ao alojamento 1203 da turbina de coluna de perfuração 1200. A turbina de coluna de perfuração 1200 pode ser implementada sem o transporte de potência elétrica significativa a partir da superfície, como a potência para perfuração é derivada do fluxo de lama: cada um dos múltiplos rotores 1201 extrai parte da potência do fluxo de lama e, em conjunto, eles acionam o eixo 425. Embora não mostrado na Figura 6, a turbina de coluna de perfuração 1200 pode incluir de 50 a 100 ou mais estágios de rotor / estator, e o eixo 425 pode ser acionado a, por exemplo, em torno de 1000 rpm. Essas turbinas de coluna de perfuração são usadas hoje em dia em certas situações de perfuração, freqüentemente com brocas de diamante. A turbina de coluna de perfuração 1200 pode ser acoplada com um volante 900 como pelas descrições anteriores, e a combinação de turbina mais volante pode ser usada na eliminação de circunstâncias difíceis de perfurar, como descrito anteriormente para o sub de motor elétrico 400. Mais ainda, o volante 900 poderia acionar um alternador (não mostrado na Figura 6) para a provisão de potência elétrica para a suíte de LWD 300, o sub de vibração 200 ou para outras necessidades elétricas em períodos de parada de perfuração, quando o fluxo de lama também tiver sido parado.

[047] O termo "acoplar" ou "acopla" usado aqui é pretendido para significar uma conexão indireta ou direta. Assim, se um primeiro dispositivo se acoplar a um segundo dispositivo, aquela conexão pode ser através de uma conexão direta ou através de uma conexão elétrica indireta através de outros dispositivo e conexões.

[048] A presente invenção é bem adaptada, portanto, para a realização de objetivos e a obtenção das finalidades mencionadas, bem como aquelas que são inerentes aqui. Embora a invenção tenha sido mostrada, descrita e seja definida por referências a exemplos da invenção, uma referência como essa não implica uma limitação para a invenção, e nenhuma limitação como essa deve ser inferida. A invenção é capaz de modificação considerável, alteração e equivalentes na forma e na função, como ocorrerão àqueles versados comumente na técnica tendo o benefício desta exposição. Os exemplos mostrados e descritos não são exaustivos da invenção. Conseqüentemente, pretende-se que a invenção esteja limitada apenas pelo espírito e pelo escopo das reivindicações em apenso, dando plena percepção aos equivalentes em todos os aspectos.

REIVINDICAÇÕES

Claims (23)

1. Coluna de perfuração para uso na perfuração de um furo de poço, a coluna de perfuração compreendo um motor elétrico (420) e um volante (900) encaixável de forma rotativa com o referido motor (420), a coluna de perfuração caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente uma embreagem (750) para seletivamente encaixar o volante (900) na broca de perfuração (500) e em um eixo (425) acoplado ao motor elétrico (420).

2 . Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato do motor elétrico (420) ser acoplável de forma elétrica e de forma mecânica a um tubo de perfuração com fio (100); o eixo (425) acoplado ao motor elétrico (420) sendo acoplável à broca de perfuração (500) , onde o eixo (425) gira quando uma potência é suprida para o motor elétrico (420); e o volante (900) sendo capaz de ser encaixado de forma rotativa com um dentre a broca de perfuração (500) e o eixo (425) .

3. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato do motor elétrico (420) girar o eixo (425) a uma taxa de rotação maior do que aquela de uma mesa rotativa.

4. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato do motor elétrico (420) girar o eixo (425) a uma taxa de rotação maior do que aproximadamente 1000 rpm.

5. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato do motor elétrico (420) ser um motor elétrico (420) de corrente continua sem escova.

6. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato do motor elétrico (420) compreender uma pluralidade de estágios de estator (430) .

7. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um sensor (1132) para a medição de um parâmetro relacionado à perfuração do furo de poço (20).

8. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um dispositivo de reação de torque (600).

9. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um componente de coluna de perfuração (200) para a criação de um estado dinâmico na coluna de perfuração local.

10. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato do componente (200) incluir um desequilíbrio de rotação (220).

11. Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato do componente (200) incluir um sub de vibração (1100).

12 . Coluna de perfuração, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um sub de vibração para criar um estado dinâmico na coluna de perfuração local.

13. Método para a perfuração de um furo de poço com uma coluna de perfuração (10) , o método caracterizado por compreender : a transferência da potência da superfície para um motor elétrico (420) na coluna de perfuração (10) através de um tubo de perfuração com fio (100), onde o motor elétrico (420) é acoplado de forma elétrica e de forma mecânica ao tubo de perfuração com fio (100); a rotação de um eixo (425) acoplado ao motor elétrico (420), quando a potência for suprida para o motor elétrico (420) ; o aumento da potência disponível para a broca de perfuração (500) pelo encaixe de um volante (900), onde o volante (900) é encaixável de forma rotativa com um dentre o motor elétrico (420) e o eixo (425); o encaixe seletivo de uma embreagem (750) para acoplamento do volante (900) à broca de perfuração (500) e ao eixo (425); e o desgaste do terreno com uma broca de perfuração (500) acoplada ao eixo (425) para a formação do furo de poço (20).

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato da rotação do eixo compreender a rotação do eixo (425) a uma taxa de rotação maior do que aquela de uma mesa rotativa.

15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente a geração de eletricidade abaixo da superfície com um volante (900).

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por compreender adicionalmente o acionamento de um ou mais subs de vibração (200, 1100) com a eletricidade gerada com o volante (900).

17. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente: o armazenamento da energia com um volante (900) que é encaixável de forma rotativa com um dentre o motor elétrico (420) e o eixo (425), e a retirada da energia armazenada durante uma ou mais interrupções na transferência de potência a partir da superfície.

18. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente a criação de um estado dinâmico na coluna de perfuração (10) local.

19. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente o desencaixe da broca de perfuração (500) do eixo (425) com uma embreagem (750) acoplada à broca de perfuração (500) e ao eixo (425).

20. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente a medição de um parâmetro relacionado à perfuração do furo de poço (20) com um sensor (1132) na coluna de perfuração (10).

21. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente o controle da operação do motor elétrico (420) a partir da superfície.

22. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente a transferência de torque para uma formação com um sub de reação de torque (600).

23. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente o uso de um sub de vibração para criar um estado dinâmico na coluna de perfuração local.