BRPI0515492B1 - aparelho de monitoração de gás remoto para perfuração de leito do mar - Google Patents
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Abstract
aparelho de monitoração de gás remoto para perfuração de leito do mar. um aparelho de monitoração de gás associado a um sistema de leito do mar remotamente operado, o aparelho incluindo um detector o qual é adaptado de modo a permitir e detecção e/ou a medição em tempo real da interceptação de gás raso em um furo de poço. em uma forma, o aparelho de monitoração de gás é adequado para uso com uma sonda de perfuração para a perfuração em um leito do mar, a sonda de perfuração incluindo uma coluna de perfuração. o aparelho de monitoração de gás inclui um alojamento com uma câmara de coleta ali, para o recebimento de retornos de fluido de perfuração os quais resultam de uma operação de perfuração. o aparelho ainda inclui um conduto de descarga dos retornos de fluido de perfuração a partir da câmara de coleta, a câmara de coleta e o conduto de descarga sendo configurados de modo que o fluido de perfuração seja descarregado em um fluxo estratificado, o qual inclui uma fase contendo predominantemente gás dissolvido e, se presente, uma fase gasosa livre. um sensor de gás está associado ao conduto de descarga e posicionado de modo a detectar qualquer gás na fase contendo predominantemente gás dissolvido e transmitir o sinal de concentração de gás medida em tempo real para uma estação operando na superfície. em uma outra forma, o aparelho inclui um conjunto de sonda de monitoração de gás adequado para uso com uma sonda de perfuração para a perfuração em um eleito do mar, o conjunto de sonda de monitoração de gás incluindo um alojamento afixável a uma extremidade de uma coluna de perfuração da sonda e o qual inclui um sensor de gás que tem uma fase de sensor de gás dentro do alojamento.
Description
APARELHO DE MONITORAÇÃO DE GÁS REMOTO PARA PERFURAÇÃO DE
LEITO DO MAR
Campo da Invenção Esta invenção se refere geralmente à monitoração de gases rasos em um leito de mar. Pretende-se que o termo "leito de mar" cubra o terreno abaixo de qualquer corpo de água, tal como, por exemplo, o mar, um oceano, um lago, rio, barragem ou similar. O aparelho de acordo com os vários aspectos da presente invenção é adequado para uso com sondas de perfuração remotamente operadas para o leito do mar. Pretende-se que a expressão sondas de perfuração inclua todas as formas de sonda as quais permitem a penetração do leito do mar. Isto pode ser obtido por perfuração ou outros meios de penetração.
Assim, quando uma referência for feita a uma operação de perfuração, esta inclui em seu escopo outras operações pelas quais a penetração do leito do mar é efetuada. Ainda, quando uma referência for feita a sondas de perfuração e colunas de perfuração as quais fazem parte da sonda, isto novamente inclui em seu escopo um equipamento o qual permite uma penetração do leito do mar para amostragem de análise e similares.
Antecedentes A perfuração do leito do mar é amplamente conduzida para várias finalidades, incluindo amostragem geotécnica e testes, exploração de hidrocarbonetos em alto-mar, identificação de geo-riscos, e estudos científicos específicos. Essas atividades de perfuração podem encontrar depósitos rasos de gás no leito do mar que podem representar riscos potencialmente sérios para operações. O gás do leito do mar pode se originar da decomposição de organismos marinhos em camadas sedimentares rasas, ou pode se infiltrar a partir de fontes de hidrocarboneto profundas. Esses depósitos de gás podem ser tóxicos e/ou explosivos e podem estar confinados no leito do mar à alta pressão.
Em certos regimes de alta pressão e baixa temperatura, em profundidades de água além de 300 metros, os sedimentos marinhos podem conter hidratos de gás próximo de abaixo do fundo do mar.
Os hidratos são estruturas de gás-água de fase sólida quase estável que podem influenciar significativamente a resistência e a estabilidade dos sedimentos do fundo do mar nos quais eles ocorrem. Os hidratos de gás assim são de consideração importante em geo-riscos em alto-mar (além de atrairem interesse como um recurso potencial de energia), especialmente em áreas em que as atividades de exploração e explotação de óleo e gás em águas profundas podem alterar as condições até o ponto em que uma rápida desestabilização do fundo do mar pode ocorrer.
Em alguns casos, a presença de gás raso pode ser reconhecida por uma pesquisa anterior ao começo da perfuração, onde marcas tipo de catapora e/ou depressões rasas são identificadas no leito do mar. Os sedimentos de hidrato de gás e o gás livre subjacente podem ser indicados em registros sísmicos, aparecendo como um refletor de simulação de fundo. Em outros casos, particularmente quando existem camadas impermeáveis no leito do mar, a presença de depósitos rasos de gás pode não ser imediatamente evidente a partir dos aspectos do fundo do mar e, assim, podem ser encontrados inesperadamente.
As operações de perfuração de leito do mar podem ser realizadas a partir de uma plataforma de superfície, tal como um navio-sonda, uma sonda auto-elevatória ou uma sonda de perfuração semi-submersivel, em cujo caso a coluna de perfuração se estende através de um condutor submarino na coluna de água e para o furo de poço. Em uma forma alternativa menos dispendiosa de perfuração de leito do mar e amostragem, as operações são realizadas através de um sistema remotamente controlado, empregado no fundo do mar em um cabo umbilical a partir de uma embarcação de superfície. Neste caso, a coluna de perfuração se estende para o furo de poço apenas a partir da sonda de leito do mar e a embarcação de superfície não precisa estar estacionada diretamente acima do furo de poço. A interceptação de um furo de poço com um depósito raso de gás pode permitir a liberação de um gás tóxico e/ou inflamável, tal como sulfeto de hidrogênio e metano, o qual, se ventilado para a superfície próximo da embarcação de perfuração, pode por em risco a saúde e a segurança do pessoal e a segurança do equipamento. No caso de um equipamento de perfuração suportado no leito do mar, a liberação de um gás à alta pressão pode resultar em uma perda súbita e incontrolável de gás de resistência de suporte do leito do mar ou possível remoção de suporte e socavamento das fundações do equipamento. Esses eventos podem desestabilizar o equipamento, com danos resultantes e perda de produtividade através de inclinação ou tombamento. As operações de perfuração através de hidratos podem causar mudanças de pressão e de temperatura, as quais podem resultar em rápida dissociação dos hidratos e conseqüentes explosões e/ou desestabilização do fundo do mar.
Quando amostras são tomadas para avaliação geotécnica a partir de sedimentos de leito do mar em águas profundas, elas sofrem um extremo alivio de pressão, conforme são trazidas para a superfície. Os gases dissolvidos na água intersticial podem sair de solução e causar uma perturbação da amostra, a qual pode ter um impacto significativo sobre a qualidade da amostra e a interpretação subseqüente de resultados de teste de laboratório. O conhecimento das características de resistência de solos de sedimento marinho nos quais depósitos de hidrato de gás podem ocorrer é vital para o estabelecimento econômico de uma infra-estrutura de leito do mar. Portanto, é uma etapa importante conhecer o teor de gás dissolvido in situ e o grau de saturação. A detecção, a monitoração e a medição de ocorrência de gás raso são aspectos importantes, portanto, da perfuração de leito do mar, da amostragem e da investigação geotécnica. Em uma prática convencional, isto pode envolver (a) a monitoração de retornos de perfuração na superfície e (b) o emprego de sondas de amostragem de gás no furo de poço. (a) Monitoração de retornos de perfuração Para operações de perfuração geralmente, um fluido ou uma lama de perfuração é bombeado para a broca de corte através do tubo de perfuração para resfriamento e lubrificação da broca e para a remoção de cortes do furo de poço. A lama de perfuração retornada a partir do furo de poço porta com ela uma amostra continua de material representativa das formações geológicas sendo penetradas pela broca de perfuração, incluindo gases livres e dissolvidos a partir da matriz do solo. Os 'retornos' de lama de perfuração tipicamente fluem para cima pela passagem anular entre o tubo de perfuração rotativo e o tubo de revestimento circundante.
Na forma de perfuração de leito do mar em que as operações são realizadas a partir de uma embarcação de superficie ou plataforma, um sistema de perfilagem de lama tipicamente é usado. Isto inclui a monitoração e a análise de gases liberados a partir da lama de perfuração retornada, antes de ela passar de volta para o tanque de manutenção. Vários sensores ou instrumentos de cromatografia de gás de alta velocidade medem a presença de sulfeto de hidrogênio e de hidrocarbonetos, particularmente aqueles de baixo peso molecular, tal como metano. Quando operando em grandes profundidades de água, contudo, há um atraso de medição significativo devido ao tempo gasto para que os retornos de lama de perfuração viajem a partir do furo de poço até a zona de medição de superficie. Uma interceptação inesperada de um receptáculo de gás à alta pressão pode causar uma elevação súbita ou um "cabeceio" na pressão na coluna de perfuração e uma possivel explosão de gás em casos extremos, necessitando do uso de um equipamento de prevenção de erupção.
Na forma de uma perfuração de leito do mar em que as operações são realizadas através de um sistema operado remotamente, o fluido de perfuração pode ser água do mar aspirada a partir do ambiente circundante imediato ou água do mar misturada a uma relação desejada com um concentrado de lama sintética, antes de um bombeamento pela coluna de perfuração até a broca de perfuração. Neste caso, a lama de perfuração não é recirculada, mas descarregada no fundo do mar juntamente com os cortes do furo de poço. Esses sistemas de leito do mar remotamente operados não são comumente equipados com meios para prevenção de erupção e atualmente são desvantajosos pelo fato de carecerem de capacidade de monitoração de gás. Portanto, eles são incapazes de detectarem se o furo de poço está se aproximando ou interceptando depósitos de gás rasos ou avisarem de antemão ao operador de perfuração que uma condição potencialmente insegura está se desenvolvendo. (b) Sondas de amostragem de gás As sondas de amostragem, tal como a Sonda de Gás de Águas Profundas NGI, convencionalmente são usadas para a obtenção de amostras de água intersticial in situ, que podem ser analisadas quanto ao teor de gás. Estas sondas têm um recipiente interno que pode ser aberto e fechado para a vedação de uma amostra de água intersticial, em conjunto com uma instrumentação de perfilagem de temperatura e pressão. Contudo, não há meios de comunicação com a sonda durante o teste, o que dá margem a várias desvantagens pelo fato de nenhum dado estar disponível em tempo real; as medições perfiladas devem esperar por uma recuperação da sonda de volta para a superfície; os tempos de amostragem requeridos e os intervalos de amostragem devem ser pré-programados antes do lançamento, com base em um conhecimento assumido de tempo de espera e condições do solo. A falta de capacidade de medição in situ requer instalações de laboratório a bordo e contribui para um atraso adicional, enquanto os resultados são obtidos a partir de uma análise instrumental separada do teor de gás na água intersticial.
Uma outra forma de amostragem com aplicação em particular ao caso de hidratos de gás envolve o uso de ferramentas de extração de testemunho pressurizado, tais como o Extrator de Testemunho Rotativo HYACE e o Extrator de Testemunho com Pressão Fugro. Os hidratos de gás são compostos instáveis que ocorrem naturalmente que rapidamente se dissociam em uma pressão atmosférica normal. As ferramentas pressurizadas permitem que amostras sejam passadas por autoclave e colocadas em contato com a superfície em sua pressão natural in situ para várias medições físicas e análise geoquímica. Embora úteis para cálculos de valores verdadeiros e outros estudos, os extratores de testemunho pressurizado atualmente estão limitados a ferramentas de grande diâmetro inadequadas para emprego através de sistemas de leito do mar operados remotamente.
Conforme usado aqui, a frase 'sistema de leito do mar operado remotamente' se refere geralmente à situação em que as ferramentas de perfuração e/ou as sondas de poço abaixo são empregadas de forma robótica ou de outra forma furo de poço abaixo a partir de uma plataforma de leito do mar ou de um outro tipo de veículo ao invés de manualmente a partir de uma plataforma de superfície. A comunicação a partir da sonda com a plataforma / o sistema de leito do mar pode ser por fio(s), cabo(s) e/ou por meios sem fio. Uma comunicação entre o sistema de leito do mar e a embarcação de superfície (estação operadora remota) é por fio e/ou cabo (por exemplo, uma telemetria elétrica ou de fibra ótica). É um objetivo da presente invenção prover métodos e/ou aparelhos os quais aliviem uma ou mais das desvantagens descritas acima associadas à detecção, monitoração e amostragem de gás de leito do mar.
Sumário da Invenção De acordo com um aspecto da presente invenção, é provido um aparelho de monitoração de gás associado a um sistema de leito do mar operado remotamente, o aparelho incluindo um detector o qual é adaptado para permitir a detecção e/ou a medição em tempo real da interceptação de gás raso em um furo de poço.
Preferencialmente, o detector inclui um coletor para a coleta contínua de retornos de fluido de perfuração e o contato dos retornos de fluido de perfuração com um sensor de gás submerso.
Em uma forma, o aparelho de monitoração de gás é adequado para uso com uma sonda de perfuração para a perfuração em um leito do mar, a sonda de perfuração incluindo uma coluna de perfuração, o aparelho de monitoração de gás incluindo um alojamento com uma câmara de coleta ali, para o recebimento de retornos de fluido de perfuração os quais resultam de uma operação de perfuração, os retornos de fluido de perfuração incluindo um fluido contendo sólidos a partir da operação de perfuração e, se presente, gás dissolvido, o aparelho ainda incluindo um conduto de descarga para a descarga dos retornos de fluido de perfuração a partir da câmara de coleta, a câmara de coleta e o conduto de descarga sendo configurados de modo que o fluido de perfuração seja descarregado em um fluxo estratificado, o qual inclui uma fase contendo predominantemente gás dissolvido e, se presente, uma fase gasosa livre, o aparelho ainda incluindo um ou mais sensores de gás associados ao conduto de descarga e posicionados de modo a detectarem qualquer gás na fase contendo predominantemente gás dissolvido. A sonda de perfuração ainda pode incluir um revestimento tubular, o qual, em uso, é disposto em um furo de poço no leito do mar e a coluna de perfuração é adaptada para passar através dali, havendo geralmente um espaço anular entre uma parede interna do revestimento tubular e a coluna de perfuração através da qual os retornos de fluido de perfuração podem passar. O alojamento pode ser operativamente montado no revestimento tubular, de modo que os retornos de fluido de perfuração possam entrar na câmara de coleta. Preferencialmente, o alojamento inclui uma passagem que se estende através dele, através da qual a coluna de perfuração pode passar, a câmara de coleta estando em comunicação de fluido com a passagem. Preferencialmente, o revestimento tubular se estende para a passagem. O aparelho ainda pode incluir meios de vedação para a vedação da câmara de coleta com a coluna de perfuração e o revestimento. O sensor de gás pode incluir uma face de detecção dentro do conduto de descarga, de modo a contatar a fase contendo predominantemente gás dissolvido, se presente. Preferencialmente, a face de detecção é disposta em uma região superior do conduto de descarga, mas espaçada de uma região de topo, de modo a inibir um contato com a fase gasosa livre, se presente.
Preferencialmente, o alojamento é espaçado do leito do mar e o conduto de descarga se estende a partir de um lado da câmara de coleta e em direção ao leito do mar.
Em uma outra forma, o aparelho inclui um conjunto de sonda de monitoração de gás adequado para uso com uma sonda de perfuração para a perfuração em um leito do mar, a sonda de perfuração incluindo uma coluna de perfuração, o conjunto de sonda de monitoração de gás incluindo um alojamento afixável a uma extremidade da coluna de perfuração e o qual inclui um sensor de gás que tem um sensor de gás plenamente no alojamento. O conjunto de sonda ainda pode incluir uma ponta de penetração no solo em uma extremidade do alojamento.
Aberturas ou passagens de interconexão podem ser providas para se permitir que a água intersticial permeie a partir dos estratos de furo de poço para a face de sensor de gás. As aberturas ou passagens de interconexão podem ser providas através de um elemento de filtro de material poroso. O conjunto de sonda ainda pode incluir passagens de conexão internas entre a coluna de perfuração e a face de sensor de gás, para se permitir a lavagem da face de sensor com água do mar limpa. Mais ainda, podem ser providos meios para o registro e a transmissão simultaneamente de sinais de dados medidos em tempo real para uma estação operadora remota.
Ainda de acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provido um método para a detecção remotamente e a medição da interceptação de gás raso em um furo de poço em associação com um equipamento de perfuração ou amostragem de leito do mar remotamente operado, o método incluindo as etapas de coleta continua de retornos de fluido de perfuração a partir do furo de poço, segregação dos retornos de fluido de perfuração em uma fase aquosa contendo predominantemente sólidos, uma fase aquosa contendo predominantemente gás dissolvido, se presente, e uma fase gasosa livre, se presente, permitindo que a fase gasosa contendo gás dissolvido flua em contato com um ou mais sensores de medição de gás submersos, enquanto se permite que a fase gasosa livre se desvie dos sensores.
De acordo ainda com um outro aspecto da presente invenção, é provido um método para a detecção remota e a medição da interceptação de gás raso em um furo de poço em associação com um equipamento de perfuração ou amostragem de leito do mar remotamente operado, o método incluindo as etapas de conexão de um conjunto de sonda de sensor de gás a uma extremidade de uma coluna de perfuração, o abaixamento do conjunto de sonda no furo de poço, o empurrão da sonda no solo no fundo do furo de poço; permitir que a água intersticial dos estratos de furo de poço permeie em contato com um sensor de gás; o registro da concentração de gás e a transmissão simultânea dos sinais de dados medidos em tempo real para um aparelho de leito do mar remotamente operado, dai para uma estação operadora remota em uma embarcação de superfície.
Formas preferidas adicionais e alternativas dos vários aspectos da invenção serão descritas a partir deste ponto.
Assim, no primeiro aspecto da invenção, ela pode prover meios para a detecção e a análise de um gás de leito do mar através de retornos de lama de perfuração em um sistema de leito do mar operado remotamente. A câmara de coleta pode ser provida para envolver uma seção da coluna de perfuração no topo do tubo de revestimento, onde o fluxo de retorno de fluido de perfuração é descarregado a partir do furo de poço. A câmara de coleta pode ser uma parte de uma guia de revestimento, usada para posicionamento do tubo de revestimento inicial em relação ao grampo que mantém a sonda de perfuração no revestimento. A base da câmara de coleta pode ser selada em torno do tubo de revestimento por um selo resiliente inferior de borracha ou de um material similar. O topo da câmara de coleta pode ser selado em torno do tubo de perfuração por um selo resiliente superior de borracha ou de um material similar, ou um tipo 'flutuante' de selo capaz de acomodar um movimento de rotação e vertical da coluna de perfuração. O selo superior é prontamente substituível, no caso de desgaste ocorrer através de um contato com o tubo de perfuração rotativo. A câmara de coleta pode ter uma saída lateral à qual é afixado um tubo de descarga inclinado para baixo. A seção superior do tubo de descarga é disposta para alojamento de um sensor de gás com sua face de detecção disposta no tubo de descarga, mas deslocada circunferencialmente a partir do topo do tubo. O sensor de gás é eletricamente ligado a um suprimento de potência e uma interface de telemetria na sonda de perfuração de leito do mar. Mais de um sensor de gás podem ser providos desta maneira, para a medição de tipos diferentes de gases ou faixas diferentes de concentrações de gás.
Em operação, o fluido ou a lama de perfuração o qual é bombeado pelo fluido de perfuração captura os cortes do fundo do furo de poço, em conjunto com qualquer fluxo de entrada de líquidos e gases a partir da formação sendo penetrada pela broca de perfuração. A mistura resultante flui a partir da região de pressão mais alta no fundo do furo de poço para cima através do espaço anular de perfuração (a passagem anular estreita entre o tubo de perfuração rotativo e o tubo de revestimento fixo), para a região de pressão mais baixa no topo do revestimento. Ali, a mistura de fluido de perfuração entra na câmara de coleta e passa para o tubo de descarga, onde o fluxo tende a se estratificar.
As partículas de cortes nas frações de tamanho mais grosseiro de areia e saibro se depositam da suspensão conforme a mistura flui através do tubo de descarga, enquanto a porção predominantemente aquosa contendo quaisquer gases dissolvidos flui em contato com a face de sensor de gás na seção superior do tubo de descarga. A face de sensor de gás assim é varrida pelo fluxo de fluido de perfuração retornado para a provisão de uma medição contínua de concentração de gás dissolvido na formação sendo penetrada. O sinal de saída de medição é transmitido em tempo real para uma estação operadora remota na embarcação de superfície. É importante que quaisquer bolhas de gás livre entranhadas na mistura de fluido de perfuração não possam ser coletadas na face de sensor de gás e fazerem com que o sinal de medição sature. As bolhas de gás livre sobem em uma porção predominantemente gasosa do fluxo, mais superiores no tubo de descarga e se desviam da face de sensor de gás em virtude de seu posicionamento com respeito ao fluxo estratifiçado.
Uma medição continua da maneira descrita acima pode prover um aviso de antemão de um possível risco de gás com apenas um atraso relativamente curto. Este atraso representando o tempo de trânsito do fluido de perfuração retornando para cima pelo espaço anular de perfuração é determinado pela profundidade da broca de perfuração e pela velocidade do fluido no espaço anular. A título de exemplo, considere uma operação de perfuração usando-se um tubo de perfuração de tamanho B de diâmetro externo (dp) de 54 mm, um tubo de revestimento de diâmetro interno (dc) de 60 mm, a uma profundidade (L) de 50 m no subleito do mar e com uma vazão de água de perfuração (F) de 15 1/min. A área de seção transversal (A) do espaço anular de perfuração é dada pela relação: A = (π/4) (dc2 - dP2) = (π/4)(0,0602 - 0,0542) = 5,37 x 10-4 m Assumindo uma situação ideal em que o furo de poço é plenamente revestido e não há perda líquida ou ganho de água fluindo para dentro ou para fora da formação de solo circundante, a velocidade da água de perfuração (V) no espaço anular de perfuração é dada por: V = F/A = 0,015/60/5,37 x 10“4 = 0,465 m/s O tempo de trânsito (T) de fluido de perfuração no espaço anular de perfuração é dado por: T = L/V = 50/0,465 = 107 segundos Na prática, se uma perda por vazamento de fluido de perfuração ocorrer na formação circundante em uma seção não revestida do furo de poço, o fluxo de retorno será reduzido, e o tempo de resposta será proporcionalmente mais longo. Contudo, o fluxo de retorno retém uma concentração de gás dissolvido representativa daquela na formação interceptada. O limite de detecção de concentração de gás dependerá da sensibilidade de medição do sensor de gás e do fator de diluição atribuível ao fluido de perfuração. A Fig. 2 ilustra graficamente a seqüência típica de um evento de interceptação de gás durante uma perfuração. Continuando com o exemplo acima, com uma taxa de penetração de broca típica de 4 mm/s, o furo avançará apenas em torno de 430 mm durante o período de atraso de medição de 107 segundos. A concentração in situ de gás dissolvida pode ser calculada a partir da relação de diluição de material cortado para vazão de fluido de perfuração. Por exemplo, uma broca de extração de testemunho de tamanho B com um diâmetro externo de 60 mm e um diâmetro interno de 44 mm cortará 5,23 x 10-6 m3/s, quando a taxa de penetração forma rotativa de 4 mm/s, proporcionando uma taxa de diluição de 48:1, quando a vazão de fluido de perfuração for de 15 1/min. Um sensor de metano típico tem uma sensibilidade de medição na faixa de 300 nmol/1 a 10 pmol/l, assim, o limite de detecção inferior de uma concentração de gás dissolvido in situ sendo de 48 x 300 nmol/1 ou de aproximadamente 15 pmo1/1.
Uma diluição mais baixa e uma sensibilidade mais alta são obtidas, se o furo for perfurado com uma broca não de extração de testemunho e/ou uma vazão de fluido de perfuração mais baixa. No exemplo precedente, a taxa de diluição é de 22:1, se uma broca não de extração de testemunho for usada com uma vazão de fluido de 15 1/modo inativo, isto é, a concentração de gás dissolvido in situ é de 22 vezes a concentração medida nos retornos de fluido de perfuração e o limite de detecção inferior de concentração de gás dissolvido in situ é de 22 x 300 nmol/1 ou de aproximadamente 7 pmol/l.
Uma medição mais precisa da concentração de gás dissolvido in situ pode ser obtida pela condução do processo de perfuração por um comprimento definido de acordo com as etapas de: (a) permitir que a concentração de gás medida dissipe para zero ou estabilize para um valor de base; (b) avançar a perfuração por um comprimento de penetração definido; (c) registrar a concentração de gás nos retornos de fluido de perfuração como uma função do tempo; (d) parar a perfuração enquanto se bombeia fluido para a broca; (e) permitir que a concentração de gás medida dissipe para zero ou estabilize para um valor de base; (f) integrar a curva de resposta medida de gás para o cálculo do volume total de gás liberado no comprimento de penetração definido; (g) calcular o volume de material cortado a partir do comprimento definido de furo de poço. (h) dividir o volume calculado de gás pelo volume de material cortado. O volume total de gás dissolvido na etapa (f) é representado pela área sombreada sob a curva de concentração de gás medida mostrada na Fig. 2. Na prática, se uma perda por vazamento de fluido de perfuração para a formação ocorrer, este método subestimará o gás dissolvido total. Contudo, pela medição do fluxo de saida no tubo de descarga com um instrumento adequado, tal como um medidor de fluxo de Doppler, e comparando-se com a vazão de entrada de fluido de perfuração medida, uma correção pode ser aplicada. Também é possível que um fluxo de vazamento para o furo de poço possa ocorrer a partir da formação circundante. Dependendo de o fluxo de entrada portar gás ou apenas água, a concentração in situ será super ou subestimada. Um fluxo de entrada de gás pode ser detectado pela circulação da água de lavagem para dentro e para fora, sem uma perfuração, e pela monitoração da resposta do sensor de gás para mudanças correspondentes na concentração de gás dissolvido. Alternativamente, para se evitar um fluxo de entrada de vazamento, podem ser adotados procedimentos para se garantir que a pressão de fluido de perfuração permaneça mais alta do que a pressão estática na seção não revestida do furo de poço.
Em um outro aspecto da invenção, o dispositivo pode ser um conjunto de sonda de pagamento para a detecção e a análise In sltu de gás de leito do mar em um furo de poço estabelecido. O conjunto de sonda pode incluir um sensor de hidrocarboneto ou um outro tipo de sensor de gás, e pode ser empregado através da coluna de perfuração a partir de um sistema de leito do mar operado remotamente para qualquer profundidade conhecida no furo de poço. A sonda também pode ser adaptada para ser empurrada à frente em condições de terreno adequadas e penetrar no solo na base de um furo de poço, para a monitoração da concentração de gás dissolvido em água intersticial em conjunto com outros parâmetros, tais como temperatura e pressão. A água do furo de poço pode permear em uma pequena câmara de sensor, localizada atrás de um tampão de proteção na extremidade do conjunto de sonda. A câmara de sensor também pode ser lavada com água do mar limpa aspirada a partir das vizinhanças da sonda de leito do mar, sempre que uma leitura 'zero' for requerida. O conjunto de sonda também inclui meios para o acionamento do sensor de gás e para a perfilagem continua e a transmissão de sinais de saída de sensor em tempo real para o sistema de leito do mar e dali para uma estação operadora remota na embarcação de superfície. Usando-se uma sonda de poço abaixo, uma informação sobre a taxa de difusão de gás através dos estratos circundantes pode complementar uma análise em laboratório de hidrocarbonetos feitas por sondas de amostragem de gás convencionais.
As modalidades preferidas da invenção serão descritas a partir deste ponto, com referência aos desenhos associados.
Lista de Figuras A Fig. 1 mostra um arranjo em seção transversal do aspecto de monitoração de gás de fluido de perfuração da invenção. A Fig. 2 representa uma resposta de medição a um gás dissolvido interceptado liberado para o fluido de perfuração pela broca de corte. A Fig. 3a mostra uma vista em corte da sonda de monitoração de gás poço abaixo com vistas aumentadas das seções superior e inferior da sonda. A Fig. 3b é um detalhe de uma parte da sonda mostrada na Fig. 3a. A Fig. 3c é um detalhe de uma outra parte da sonda mostrada na Fig. 3a. A Fig. 4 mostra um arranjo de seção transversal de uma sonda de solo de detecção de gás.
Descrição de Modalidades Preferidas da Invenção Com referência à Fig. 1, em um primeiro aspecto da invenção, uma coluna de perfuração rotativa 1 equipada com uma broca de corte 2 está associada a uma sonda de perfuração de fundo de mar operada remotamente situada no fundo do mar 3. A coluna de perfuração 1 forma um furo de poço, conforme penetra em uma formação natural de um material de leito do mar 4, o qual pode conter gás aprisionado ou dissolvido. A coluna de perfuração 1 passa através de um tubo de revestimento 5, o qual é posto no furo de poço e o qual pode ser avançado, conforme o furo de poço se aprofundar. A sonda de perfuração é localizada no furo de poço por um grampo de revestimento 6 e há um pequeno espaço anular 7 entre o diâmetro externo da coluna de perfuração 1 e o diâmetro externo do revestimento 5.
Uma câmara de coleta anular 8 está localizada no topo do tubo de revestimento 5 circundando o ponto de entrada da coluna de perfuração 1 no tubo de revestimento 5. A câmara de coleta 8 é provida com um selo superior 9 construído de um material resiliente resistente a desgaste em contato de vedação com a coluna de perfuração rotativa 1, tendo maleabilidade suficiente para acomodar uma possível excentricidade na rotação da coluna de perfuração 1. A câmara de coleta 8 é adicionalmente provida com um selo inferior 10 construído de forma similar de um material resiliente resistente em contato de vedação com o tubo de revestimento 5. A câmara de coleta 8 é adicionalmente provida com uma abertura de descarga 11 posicionada entre o selo superior 9 e o selo inferior 10.
Um tubo de descarga 12 se conecta à abertura de descarga 11 e é inclinado para baixo a partir da câmara de coleta 8. A seção superior de tubo de descarga 12 é adaptada para conter um sensor de gás 13 de um tipo submerso convencional, por exemplo, o detector de metano METS fabricado pela CAPSUM Technologie GmbH. O sensor de gás 13 é montado de modo que sua face de detecção 14 esteja disposta no tubo de descarga 12 e esteja deslocada circunferencialmente a partir do topo do tubo de descarga 12. Um cabo submerso 15 conecta o sensor de gás 13 a um suprimento de potência e a um sistema de telemetria na sonda de perfuração.
Em operação, um fluido de perfuração pressurizado 16 é introduzido no topo da coluna de perfuração 1 e flui para baixo através da passagem central 17 na coluna de perfuração 1, para sair na face de corte da broca de perfuração 2. O fluido de perfuração 16 captura o material sendo cortado a partir do furo de poço, incluindo qualquer gás liberado, e a mistura flui para cima através do espaço anular 7 para emergir na câmara de coleta 8 e fluir para o tubo de descarga 12 . A relação de área entre o espaço anular 7 e o tubo de descarga 8 é tal que a velocidade de fluxo e a turbulência sejam substancialmente reduzidas no tubo de descarga 8, reduzindo-se uma estratificação vertical no fluxo. As partículas de corte nas frações de tamanho mais grosseiro de areia e saibro tendem a se segregar em uma camada mais densa 18 fluindo na seção inferior de tubo de descarga 8, enquanto uma porção predominantemente aquosa 19 contendo quaisquer gases dissolvidos flui em contato com a face de sensor de gás inclinada 14 na seção superior do tubo de descarga 8. A face de sensor de gás 14 assim é varrida pelo fluxo de fluido de perfuração retornado, para a provisão de uma medição continua de concentração de gás dissolvido na formação de leito do mar 4 sendo penetrada. Quaisquer bolhas de gás livre entranhadas na porção aquosa 19 sobem para uma porção predominantemente gasosa mais superior 20 da mistura fluindo. A porção gasosa 20 se desvia da face de sensor de gás 14 em virtude da posição e da orientação da face de sensor de gás 14 com respeito ao fluxo estratifiçado, desse modo se evitando um contato direto de quaisquer bolhas de gás livre contra a face de sensor 14.
Uma pressão de fluido na câmara de coleta 8 é ligeiramente maior do que a pressão de água ambiente, desse modo se evitando uma possível diluição dos retornos de fluido de perfuração pelo fluxo de entrada de água diante dos selos 9 e 10. O sinal de saída de medição é transmitido em tempo real para uma estação operadora remota na embarcação de superfície.
Em qualquer momento, os sensores podem ser 'zerados' pela lavagem com água do mar limpa, aspirada a partir de uma entrada vários metros acima do fundo do mar.
Conforme o furo de poço avança na profundidade, o tubo de revestimento 5 pode ser estendido pela remoção da coluna de perfuração 1 e pela adição de comprimentos de tubo em incrementos de modo que o topo de cada novo comprimento de tubo de revestimento 5 se alinhe com a câmara de coleta 8.
Com referência à Fig. 3, em um outro aspecto da invenção, um conjunto de sonda 21 pode ser afixado na extremidade inferior de coluna de perfuração 1. O conjunto de sonda 21 inclui um tubo externo 22, o qual se conecta na extremidade superior de um adaptador de tubo de perfuração 23 e é terminado na extremidade inferior com uma ponta cônica endurecida 24 ou um dispositivo de penetração de solo similar. A extremidade inferior de tubo externo 22 também é disposta para conter um sensor de gás 13 de um tipo submerso convencional, por exemplo, o detector de metano METS fabricado pela CAPSUM Technologie GmbH. O sensor de gás 13 pode conter vários canais de saida, cada um medindo um hidrocarboneto de peso molecular em particular, também, a temperatura ambiente e a pressão. Uma câmara de amostragem 25 é provida entre a ponta 24 e a face de sensor de gás 14, a câmara 25 tendo várias aberturas ou perfurações 26 na parede, as quais permitem um contato de fluido externo com a face de sensor de gás 14. O tubo 22 contém um conjunto eletrônico o qual preferencialmente inclui um transmissor acústico 27, uma bater ia 2 8 e um módulo de perfilagem de dados 2 9 de tipo convencional, tal como aquele fabricado pela Geotech AB para uso em um sistema de CPT sem fio. O conjunto eletrônico é conectado à extremidade inferior de adaptador de tubo de perfuração 23, estendendo-se axialmente dentro do tubo 22. Um percurso de fluxo interno é provido entre a coluna de perfuração 1 e as aberturas de câmara de amostragem 26, interconectando-se através de uma passagem de água 30 no adaptador de tubo de perfuração 23, uma passagem anular 31 formada entre o conjunto eletrônico e o tubo 22, então através do furo de tubo 22 e de uma passagem anular 32 formada entre o sensor 13 e o tubo 22. O módulo de perfilagem de dados 29 e o sensor de gás 13 são providos com conectores elétricos 33 do tipo submerso convencional, tal como a série Ά11 Wet' da Seacon e um conjunto de cabo de interconexão 34. Em uma variante particular da invenção, o tubo 22 pode conter uma bateria adicional a qual separadamente aciona o sensor de gás 13.
Com referência à Fig. 4, o conjunto de sonda 21 alternativamente pode terminar com um aparelho de penetração de solo, o qual inclui um elemento poroso 35, tal como um filtro sinterizado, e uma passagem interna 36 interconectando à câmara 25. O método de operação do conjunto de sonda 21 pode incluir, conforme se segue, as etapas de: (a) conexão remota da sonda 21 à extremidade de uma coluna de perfuração ou um outro aparelho de penetração de leito do mar; (b) abaixamento da sonda 21 por uma distância conhecida em um furo de poço; (c) lavagem com água do mar limpa através da câmara de amostragem 25; (d) empurrão da sonda 21 para o solo no fundo de um furo de poço; (e) permitir que a água intersticial dos estratos de furo de poço permeie através das aberturas 26 ou do elemento poroso 35 e da passagem 36 para contatar a face de sensor de gás 14; (f) registrar através do módulo de perfilagem de dados 29 os dados de concentração de gás, temperatura e pressão medidos pelo sensor 13 e simultaneamente transmitir os sinais de dados através do transmissor acústico 27 para o aparelho de leito do mar operado remotamente, dali em tempo real para uma estação operadora remota na embarcação de superfície. A referência a qualquer técnica anterior neste relatório descritivo não é, nem deve ser tomada como, um reconhecimento ou qualquer forma de sugestão de que a técnica anterior faz parte do conhecimento comum na Austrália.
Por todo este relatório descritivo e nas reivindicações as quais se seguem, a menos que o contexto requeira de outra forma, a palavra "compreender" e variações tais como "compreende" ou "compreendendo" serão compreendidas como implicando na inclusão de um integrante declarado ou uma etapa ou um grupo de integrantes ou de etapas, mas não a exclusão de qualquer outro integrante ou etapa ou grupo de integrantes ou de etapas.
Finalmente, é para ser compreendido que várias alterações, modificações e/ou adições podem ser incorporadas nas várias construções e nos arranjos de partes, sem se desviar do espirito ou do âmbito da invenção.
REIVINDICAÇÕES
Claims (10)
1. Aparelho de monitoração de gás associado a um sistema de leito do mar (3, 4} operado remotamente que inclui um detector {7, 8, 11, 12, 13, 14) o qual é adaptado para permitir a detecção e/ou a medição em tempo real da interceptação de gás raso em um furo de poço, caracterizado pelo fato de que o detector (7, 8, 11, 12, 13, 14) inclui um coletor {7, 8, 11, 12) para a coleta contínua de retornos de fluido de perfuração <18, 19, 20) e o contato dos retornos de fluido de perfuração (18, 19, 20) com um sensor de gás submerso (13, 14).
2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser adequado para uso com uma sonda de perfuração para a perfuração em um leito do mar (3, 4), a sonda de perfuração incluindo uma coluna de perfuração (1), o aparelho incluindo um alojamento, o coletor (7, 8, 11, 12) incluindo uma câmara de coleta (8) ali para o recebimento de retornos de fluido de perfuração (18, 19, 20) os quais resultam de uma operação de perfuração, os retornos de fluido de perfuração (18, 19, 20) incluindo um fluido contendo sólidos a partir da operação de perfuração e, se presente, gás dissolvido, o aparelho ainda incluindo um conduto de descarga (11, 12) para a descarga dos retornos de fluido de perfuração (18, 19, 20) a partir da câmara de coleta (8), a câmara de coleta (8) e o conduto de descarga (11, 12) sendo configurados de modo que o fluido de perfuração (18, 19, 20) seja descarregado em um fluxo estratificado, o qual Inclui uma fase (19) contendo predominantemente gás dissolvido e, se presente, uma fase gasosa livre, o aparelho ainda incluindo um sensor de gás (13, 14) associado ao conduto de descarga (11, 12) e posicionado de modo a detectar qualquer gás na fase (19) contendo predominantemente gás dissolvido.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a sonda de perfuração ainda inclui um revestimento tubular (5) , o qual, em uso, é disposto em um furo de poço no leito do mar (3, 4) e a coluna de perfuração (1) é adaptada para passar através dali, havendo um espaço geralmente anular (7) entre uma parede interna do revestimento tubular (5) e a coluna de perfuração (1) através do qual os retornos de fluido de perfuração (18, 19, 20) podem passar, o referido alojamento sendo operativamente montado no revestimento tubular (5), de modo que os retornos de fluido de perfuração (18, 19, 20) possam entrar na câmara de coleta (8).
4. Aparelho, de acordo com a reivinidcação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o alojamento inclui uma passagem que se estende através dali, através da qual a coluna de perfuração (1) pode passar, a referida câmara de coleta (8) estando em comunicação de fluido com a passagem.
5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o revestimento (5) se estende para a passagem.
6. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo fato de ainda incluir meios de selo (9, 10) para a vedação da câmara de coleta (8) com a coluna de perfuração (1) e o revestimento (5) .
7 . Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 6, carac ter i z ado pelo fato de que o sensor de gás (13, 14) inclui uma face de detecção (14) no conduto de descarga (11, 12), de modo a contatar a fase contendo predominantemente gás dissolvido, se presente.
8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a face de detecção (14) é disposta em uma região superior do conduto de descarga (11, 12), mas espaçada de uma região de topo, de modo a inibir um contato com a fase gasosa livre (20), se presente.
9. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 8, carac ter i z ado pelo fato de que o alojamento é espaçado do leito do mar (3, 4) e o referido conduto de descarga (11, 12) se estender a partir de um lado da câmara de coleta (8) e em direção ao leito do mar (3, 4) .
10. Método para a detecção e a medição remotamente da interceptação de gás raso em um furo de poço em associação com um equipamento de perfuração ou de amostragem de leito do mar remotamente operado caracterizado pelo fato de incluir as etapas de coleta continua de retornos de fluido de perfuração a partir do furo de poço, segregação dos retornos de fluido de perfuração em uma fase aquosa contendo predominantemente sólidos, uma fase aquosa contendo predominantemente gás dissolvido, se presente, e uma fase gasosa livre, se presente, permitir que a fase aquosa contendo gás dissolvido flua em contato com um ou mais sensores de medição de gás submersos, enquanto se permite que a fase gasosa livre se desvie dos sensores.
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