BRPI0816082B1

BRPI0816082B1 - Method for deflecting an advanced drill hole by a rotary drill bit

Info

Publication number: BRPI0816082B1
Application number: BRPI0816082-1A
Authority: BR
Inventors: Reid Farley Steven
Original assignee: Precision Energy Services, Inc.
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2018-02-06
Also published as: MX2010002181A; US7766098B2; EP2229498B1; AU2008296814A1; AU2008296814B2; RU2442873C2; US20100263933A1; US20090057018A1; WO2009032367A2; CA2695443A1; RU2010107703A; EP2229498A4; GEP20146059B; BRPI0816082A2; EP2229498A2; WO2009032367A3; CA2695443C

Description

(54) Título: MÉTODO PARA DESVIAR UM FURO DE SONDAGEM AVANÇADO POR UMA BROCA DE PERFURAÇÃO ROTATIVA (51) Int.CI.: E21B 7/04 (30) Prioridade Unionista: 31/08/2007 US 11/848,328 (73) Titular(es): PRECISION ENERGY SERVICES, INC.

(72) Inventor(es): STEVEN REID FARLEY

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONTROLE DE PERFURAÇÃO DIRECIONAL USANDO ROTAÇÃO DE BROCA MODULADA.

Campo Técnico

A presente invenção refere-se à perfuração direcional de um furo de sondagem de poço. Mais particularmente, a invenção refere-se à orientação da direção de um furo de sondagem avançado por uma broca de perfuração rotativa, pela variação periódica da velocidade rotativa da broca de perfuração durante uma revolução da coluna de perfuração na qual a broca de perfuração é operativamente conectada.

Antecedentes

Os poços de petróleo com complexas trajetórias e multialvos exigem o preciso posicionamento do caminho do furo de sondagem de poço e a flexibilidade para manter continuamente o controle do caminho. É preferido controlar ou orientar a direção ou caminho do furo de sondagem durante a operação de perfuração. É adicionalmente preferido controlar o caminho rapidamente durante a operação de perfuração em qualquer profundidade e alvo à medida que o furo de sondagem é avançado pela operação de perfuração.

' A perfuração direcional é complicada pela necessidade de operar um dispositivo de orientação da broca de perfuração nas condições duras do furo de sondagem. Tipicamente, o dispositivo de orientação fica disposto próximo da broca de perfuração, que termina uma extremidade inferior ou de fundo de poço de uma coluna de perfuração. A fim de obter o controle direcional em tempo real desejado, é preferido operar o dispositivo de orientação remotamente a partir da superfície da terra. Além do mais, o dispositivo de orientação deve ser operado para manter os caminho e direção desejados, ainda sendo implementado, possivelmente, em uma grande profundidade no furo de sondagem, e ainda mantendo velocidades de perfuração práticas. Finalmente, o dispositivo de orientação deve operar de forma confiável sob condições excepcionais de calor, pressão e vibração que podem ser encontradas durante a operação de perfuração.

Muitos tipos de dispositivos de orientação direcional, que compreendem um motor disposto em um alojamento com um eixo geométrico deslocado do eixo geométrico da coluna de perfuração, são conhecidos na tecnologia anterior. O motor pode ser de uma variedade de tipos, incluindo elétrico ou hidráulico. Motores de turbina hidráulica, operados pela circulação de fluido de perfuração, são comumente conhecidos como motores de lama. Uma broca rotativa é anexada em um eixo do motor e é rotacionada pela ação do motor. O alojamento do motor axialmente deslocado, comumente referido como uma subseção curva ou subcurvo, fornece deslocamento axial que pode ser usado para mudar a trajetória do furo de sondagem. Pela rotação da broca de perfuração com o motor e, simultaneamente, rotação da broca de perfuração com a coluna de perfuração, o caminho ou trajetória de avanço do furo de sondagem é paralelo ao eixo geométrico da coluna de perfuração, pela rotação da broca de perfuração com o motor somente, a trajetória do furo de sondagem é desviada do eixo geométrico da coluna de perfuração. Pela altemação destas duas metodologias de rotação da broca de perfuração, o caminho do furo de sondagem pode ser controlado. Uma descrição mais detalhada de perfuração direcional usando o conceito de subcurvo é apresentado nas patentes US 3.713.500, 3.841.420 e 4.492.276, que são aqui inseridas nesta descrição pela referência.

A tecnologia anterior contém métodos e aparelho para ajustar o ângulo de curvatura de um alojamento do subcurvo, desse modo, direcionando o ângulo de desvio do furo de sondagem em função deste ângulo. A tecnologia anterior também contém aparelho e métodos para lidar com torques indesejados que resultam das operações de orientação, incluindo embreagens que controlam a rotação relativa da broca a fim de posicionar a broca azimultalmente, conforme necessário, nas paredes do furo de sondagem. Tipicamente, os sistemas de orientação da tecnologia anterior que usam variações do conceito de subcurvo se valem das complexas forças de impulsão ou de apontamento e no equipamento associado que direciona o caminho do furo exercendo altas pressões na broca, perpendicular ao caminho do furo de sondagem, durante a rotação da coluna de perfuração. Estas forças são frequentemente obtidas usando sistemas hidráulicos que, tipicamente, são onerosos e apresentam riscos operacionais adicionais no supramencionado ambiente de perfuração duro. Além do mais, tipicamente, estas forças perpendiculares exigem que o dispositivo de orientação seja fabricado com componentes mecanicamente fortes, desse modo, aumentando adicionalmente o custo inicial e operacional do dispositivo de orientação. Sumário da Invenção

Esta invenção compreende aparelho e métodos para orientar a direção de um furo de sondagem avançado pela ação de corte de uma broca de perfuração rotativa, que termina uma extremidade inferior ou de fundo de poço de uma coluna de perfuração. A velocidade de rotação da broca varia periodicamente durante uma rotação da coluna de perfuração, desse modo, cortando uma quantidade desproporcionalmente maior de material de um arco azimutal da parede do furo de sondagem, o que resultará em um desvio azimutal na direção do furo de sondagem.

O dispositivo de orientação, que fica disposto na extremidade de fundo de poço de uma coluna de perfuração, compreende um motor disposto em uma subseção de alojamento curvo ou subcurvo. Uma broca de perfuração rotativa é anexada em um eixo do motor. A broca de perfuração é rotacionada tanto pelo motor quanto pela ação rotativa da coluna de perfuração.

Como exposto, o sistema de orientação é desenhado de forma que a broca de perfuração rotativa corte desproporcionalmente material ao longo da parede do furo de sondagem em um arco azimutal predeterminado para direcionar o avanço do furo de sondagem em uma trajetória desejada. Nos exemplos descritos da invenção, a taxa de rotação da broca é periodicamente diminuída neste arco predeterminado, cortando uma quantidade desproporcionalmente pequena de material da parede do furo de sondagem. Em decorrência disto, a broca se move para o lado oposto do furo de sondagem e corta quantidade desproporcionalmente maior de material da parede do furo de sondagem. Então, o furo de sondagem tende a desviar e avançar na direção azimutal na qual a grande quantidade desproporcional de materi4 al da parede do furo de sondagem foi removida.

A remoção de material da parede do furo de sondagem, assim, a orientação da trajetória do furo de sondagem, é realizada pela variação periódica da velocidade rotativa da broca de perfuração durante uma rotação da coluna de perfuração. O sistema de orientação usa dois elementos para rotacionar a broca de perfuração. O primeiro elemento usado para rotacionar a broca de perfuração é a coluna de perfuração rotativa. O segundo elemento usado para rotacionar a broca de perfuração é o motor, disposto no subcurvo e operativamente conectado à broca de perfuração. A velocidade rotativa final da broca de perfuração é a soma das velocidades rotativas fornecidas pela coluna de perfuração e pelo motor.

É preferido que tanto a coluna de perfuração quanto o motor rotacionem simultaneamente. Se uma trajetória constante do furo de sondagem for desejada, as velocidades de rotação tanto da coluna de perfuração quanto do motor são mantidas constantes por toda uma revolução da coluna de perfuração. A progressão da rotação de broca ao redor do furo de sondagem remove essencialmente a mesma quantidade de material azimultalmente ao redor da parede do furo de sondagem. Se uma trajetória desviada do furo de sondagem for desejada, a velocidade de rotação da broca de perfuração varia à medida que ela passa através de um setor azimutal predeterminado da parede do furo de sondagem. Esta variação periódica na velocidade da broca pode ser realizada pela variação periódica da velocidade rotativa do motor ou pela variação periódica da velocidade rotativa da coluna de perfuração. Ambas as metodologias removem quantidades desproporcionalmente pequenas de um lado do furo de sondagem e removem quantidades desproporcionalmente maiores de material do lado oposto do furo de sondagem. O furo de sondagem é desviado na direção da remoção da quantidade desproporcionalmente grande de material. Ambas as metodologias serão discutidas com detalhes nas seções subsequentes desta descrição. Descrição Resumida dos Desenhos

A maneira na qual os supracitados recursos e vantagens, anteriormente sumarizados em resumo, são obtidos pode ser entendida com deta5 lhes pela referência às modalidades ilustradas nos desenhos anexos.

A figura 1 ilustra o conjunto de furo de sondagem que compreende um subcurvo e o motor disposto em um furo de sondagem de poço por uma coluna de perfuração operativamente anexada em uma plataforma de perfuração rotativa;

a figura 2 é uma seção transversal de um furo de sondagem cilíndrico e é usada para definir certos parâmetros usados na metodologia de orientação da invenção;

a figura 3 é uma seção transversal de um furo de sondagem no qual a velocidade de rotação do furo de sondagem variou, desse modo, removendo uma quantidade desproporcionalmente pequena de material de um lado do furo de sondagem e uma quantidade desproporcionalmente grande de material do lado oposto do furo de sondagem;

a figura 4a é um gráfico de uma taxa de rotação constante da coluna de perfuração em função de uma pluralidade de ciclos rotativos;

a figura 4b é um gráfico de um taxa de rotação com diminuição periódica do motor em função de uma pluralidade de rotações da coluna de perfuração;

a figura 4c é um gráfico de um taxa de rotação com diminuição periódica e aumento periódico do motor em função de uma pluralidade de ciclos de rotação da coluna de perfuração;

a figura 5a é um gráfico de um taxa de rotação com diminuição periódica da coluna de perfuração em função de uma pluralidade de rotações da coluna de perfuração; e a figura 5b é um gráfico de um taxa de rotação constante do motor em função de uma pluralidade de ciclos rotativos.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

Esta invenção compreende aparelho e métodos para orientar a direção de um furo de sondagem avançado pela ação de corte de uma broca rotativa de perfuração. A invenção será divulgada em seções. A primeira seção é voltada para o hardware. A segunda seção detalha princípios operacionais básicos da invenção. A terceira seção detalha duas modalidades da invenção que produzirão os resultados de orientação do furo de sondagem desejados.

A perfuração direcional é obtida pela variação periódica da taxa de rotação da broca de perfuração. Com os propósitos desta descrição, variação periódica é definida como a variação da velocidade de rotação da broca de perfuração em uma pluralidade de rotações ou ciclos de 360 graus da coluna de perfuração no mesmo arco azimutal na pluralidade de rotações.

Hardware

Atenção é direcionada para a figura 1, que ilustra um conjunto de furo de sondagem (BHA) 10 suspenso em um furo de sondagem 30 definido por uma parede 50 e que penetra na formação terrestre 36. A extremidade superior do BHA 10 é operativamente conectada em uma extremidade inferior de uma tubulação de perfuração 35 por meio de um conector adequado 20. A extremidade superior da tubulação de perfuração 35 é operativamente conectada em uma plataforma de perfuração rotativa, que é bemconhecida na tecnologia e conceitualmente representada em 38. O revestimento da superfície 32 se estende do furo de sondagem 30 até a superfície 44 da terra. Elementos do aparelho de orientação ficam dispostos no BHA 10. O motor 14 fica disposto em um subcurvo 16. O motor 14 pode ser elétrico ou um motor tipo Monyo ou turbina. Uma broca de perfuração rotativa 18 é operativamente conectada no motor 14 por um eixo do motor 17, e é rotacionada da forma conceitualmente ilustrada pela seta RbNovamente, em relação à figura 1, o BHA 10 também compreende uma seção sensora auxiliar 22, uma seção de fonte de alimentação 24, uma seção de componentes eletrônicos 26 e uma seção de telemetria do fundo de poço 28. A seção sensora auxiliar 22 compreende sensores direcionais, tais como magnetômetros e inclinômetros que podem ser usados para indicar a orientação do BHA 10 no furo de sondagem 30. Por sua vez, esta informação é usada na definição do caminho da trajetória do furo de sondagem para a metodologia de orientação. A seção sensora auxiliar 22 também pode compreender outros sensores usados nas operações de Me7 dição-Durante-Perfuração (MWD) e Registro-Durante-Perfuração (LWD) incluindo, mas sem limitações, sensores responsivos à radiação gama, radiação nêutron e campos eletromagnéticos. A seção de componentes eletrônicos 26 compreende sistema de circuitos eletrônicas para operar e controlar outros elementos no BHA 10. Preferivelmente, a seção de componentes eletrônicos 26 compreende memória do fundo do poço (não mostrada) para armazenar parâmetros direcionais de perfuração e medições feitas pela seção sensora, e sistemas operacionais da perfuração direcional. Preferivelmente, a seção eletrônica 26 também compreende um processador do fundo de poço para processar vários dados de medição e de telemetria. Elementos no BHA 10 ficam em comunicação com a superfície 44 da terra por meio de uma seção de telemetria do fundo de poço 28. A seção de telemetria do fundo de poço 28 recebe e transmite dados para uma seção de telemetria na boca do poço (não mostrada) preferivelmente disposta no equipamento da superfície 42. Vários tipos de sistemas de telemetria do furo de sondagem são aplicáveis, incluindo sistemas de pulso de lama, sistemas de sirene de lama, sistemas eletromagnéticos e sistemas acústicos. Uma seção de fonte de alimentação 24 supre energia elétrica necessária para operar os outros elementos no BHA 10. A energia é tipicamente suprida por baterias.

Uma vez mais, em relação à figura 1, fluido de perfuração ou lama de perfuração é circulado a partir da superfície 44 para baixo através da coluna de perfuração que compreende a tubulação de perfuração e o BHA 10, sai através da broca de perfuração 18 e retorna para a superfície por meio do espaço anular entre o furo de sondagem e a coluna de perfuração. A circulação é conceitualmente ilustrada pelas setas 12. O sistema de fluido de perfuração é bem-conhecido na tecnologia e é conceitualmente representado em 40. Se o motor 14 for um motor tipo turbina ou motor de lama, o fluxo para baixo do fluido de perfuração transmite a rotação para a broca de perfuração 18 através do eixo 17, da forma indicada pela seta Rm. Com propósitos de ilustração, na figura 1, considera-se que o motor 14 é um motor de lama. O sistema de orientação utiliza uma variação periódica na velocidade rotativa da broca de perfuração 18 na definição da trajetória do avanço do furo de sondagem 30. Em uma modalidade da invenção, a velocidade rotativa da broca de perfuração 18 varia periodicamente pela variação periódica da rotação do motor 14. Já que na figura 1 considera-se que o motor 14 é um motor de lama, a velocidade rotativa varia pela variação do fluxo do fluido de perfuração através do motor de lama. Isto é realizado com um elemento de restrição do fluxo de fluido ou de liberação de fluido que pode ficar disposto na coluna de perfuração (da forma conceitualmente mostrada em 39) ou na superfície 44 (não mostrada) no sistema de bomba de lama 40. O elemento de restrição do fluxo de fluido ou de liberação de fluido é ilustrado com linhas rompidas, já que ele não é necessário se o motor 14 for elétrico. Embora um motor de lama seja considerado com propósitos de discussão, também pode ser usado um motor elétrico que elimina a necessidade do elemento de restrição do fluxo de fluido ou de liberação do fluxo de fluido 39. A velocidade do motor elétrico é eletricamente controlada pela cooperação da seção de componentes eletrônicos 26 e da seção da fonte de alimentação 24. A conexão entre a seção de fonte de alimentação 24 e o motor 14 é mostrada como uma linha rompida, já que a conexão não é necessária se o motor for do tipo turbina.

Ainda em relação à figura 1, a plataforma rotativa 38 transmite um componente de rotação adicional, conceitualmente indicado pela seta Rd, para a broca de perfuração rotativa 18 pela rotação da tubulação de perfuração 35 e do BHA 10. Tipicamente, a velocidade de rotação da coluna de perfuração é controlada a partir da superfície, usando o equipamento da superfície 42, com base na informação de trajetória predeterminada, ou a partir da informação de orientação do BHA da telemetria dos sensores na seção sensora auxiliar 22. A velocidade de rotação do motor (conceitualmente indicada pela seta Rm) θ tipicamente controlada pelos sinais de telemetria da superfície usando informação de posição e orientação do BHA 10 medida pela seção auxiliar 22 e de telemetria para a superfície. Alternativamente, a velocidade rotativa do motor Rm pode ser controlada usando informação de orientação medida pela seção sensora auxiliar que coopera com informação de controle predeterminada armazenada em um processador do fundo de poço na seção de componentes eletrônicos 26.

Princípios Operacionais Básicos

O BHA 10 mostrado na figura 1, quando rotacionado em uma velocidade de rotação constante no furo de sondagem 30, draga um caminho circular perfurando um furo de sondagem ligeiramente maior que o diâmetro da broca de perfuração 18. Este maior diâmetro, definido pela parede do furo de sondagem 50, é em função do ângulo definido pelo eixo geométrico da tubulação de perfuração 35 e pelo eixo geométrico do alojamento do subcurvo 16.

Da forma supradiscutida, dois componentes de rotação da broca de perfuração estão presentes. O primeiro componente resulta da ação da plataforma de perfuração 38 que rotaciona toda a coluna de perfuração em uma taxa de rotação de Rd. O segundo componente de rotação resulta da ação do motor 10 que rotaciona a broca em uma taxa R_M. A velocidade de rotação da broca de perfuração, Rb, é a soma destes dois componentes. Declarada matematicamente, a velocidade de rotação Rb (1) Rb = Rd + Rm

Como exposto, no geral, os dois componentes Rd e Rm, que compreendem a velocidade de rotação final da broca de perfuração R_B, são considerados separáveis quando o controle direcional for exigido. Como um exemplo da tecnologia anterior exemplo, se R_D for ajustado em zero, então, o motor 14 continuará a girar a broca de perfuração 18 em uma velocidade de rotação Rm- A broca de perfuração aumentará o ângulo de desvio do furo de sondagem em um ângulo azimutal constante definido pela posição do subcurvo não rotativo 16, com a coluna de perfuração deslizando para baixo do furo de sondagem, após o avanço da broca de perfuração. Alternativamente, se for exigido que um furo de trajetória constante seja perfurado, então, a rotação da coluna de perfuração Rd é iniciada juntamente com a rotação do motor R_M, o ângulo azimutal do subcurvo 16 não é mais constante em função da rotação do BHA 10 e a broca de perfuração que rotaciona em Rb = Rm + Rd corta igualmente em todos os lados do furo.

Na supradescrita progressão periódica da broca de perfuração ao redor da parede do furo de sondagem, em que R_D e Rm não são iguais a zero, a broca de perfuração 18 corta uma diferente seção azimutal do furo em função do tempo de progressão. É durante esta progressão periódica da broca de perfuração que Rb pode ser instantânea e periodicamente mudada durante cada revolução do BHA 10 para cortar, preferencialmente, um lado do furo em uma taxa diferente do que o mesmo corta o lado oposto do furo. Isto também resulta em maior ângulo de desvio do furo de sondagem, ainda rotacionando a coluna de perfuração. Há vantagens operacionais em continuar a rotacionar a coluna de perfuração, como será discutido em uma seção subsequente desta descrição. A mudança periódica em R_B por revolução da coluna de perfuração pode ser implementada pela variação tanto de Rd quanto de Rm, como será discutido com detalhes em seções subsequentes desta descrição.

A figura 2 é uma seção transversal de um furo de sondagem cilíndrico 30 e é usada para definir certos parâmetros usados na metodologia de orientação. O centro do furo de sondagem é indicado em 52, e um ângulo de referência do furo de sondagem ou zero azimutal é indicado em 51. Com propósitos de discussão, considere que R_D e Rm são não zero e, durante a progressão da broca de perfuração no furo de sondagem, a velocidade de rotação da broca de perfuração R_B = Rd + Rm diminuiu até um valor R_Bd, começando, essencialmente, no ângulo de variação da velocidade α indicado em 54 e continuou através de um ângulo de permanência de magnitude σ indicado em 60. Preferivelmente, a posição azimutal do ângulo de variação α é definida em relação ao ângulo de referência 51. Então, a velocidade de rotação da broca retoma, essencialmente, em R_B para o restante do ciclo de rotação de 360 graus. A mudança instantânea e periódica de R_B para R_Bdpode ser obtida pela diminuição tanto de Rd quanto de Rm (ou de ambos), como será discutido nas seções subsequentes desta descrição. Esta diminuição na potência de corte durante o ângulo de permanência σ (mostrado at 60) deixará um excedente de material de parede do furo de sondagem, essencialmente, no ângulo de permanência azimutal σ. Naturalmente, este excedente de material faz com que a broca de perfuração se mova radialmente para o lado oposto do furo até uma seção de arco azimutal σ/2 indicado em 57, que termina em um ângulo β, em que:

(2) β = α- 180° + σ/2 e β é indicado em 56. A velocidade de rotação da broca de perfuração através do arco σ/2 até o ângulo β é R_B ou maior, que, certamente, é maior que Red- Isto resulta na remoção de uma quantidade desproporcionalmente grande de material de parede do furo de sondagem, essencialmente, no arco azimutal 57, desse modo, desviando o furo de sondagem nesta direção azimutal.

Os supradiscutidos efeitos da variação da velocidade de rotação da broca de perfuração são conceitualmente ilustrados na vista seccional transversal do furo de sondagem da figura 3. A velocidade de rotação da broca de perfuração é reduzida de R_B para R_Bcj quando a broca alcança o ângulo α denotado em 54. A broca de perfuração nesta posição azimutal é representada como 18a. Em virtude da redução na velocidade de rotação de broca, há um excesso de material ao longo da parede do furo de sondagem em 50a, que corresponde ao ângulo de permanência σ mostrado na figura 2. A velocidade rotativa da broca de perfuração aumenta subsequentemente até R_b, e a broca se move para o lado oposto do furo de sondagem 30 até o arco azimutal 57, terminando no ângulo β. A broca de perfuração nesta posição é conceitualmente representada em 18b. Com a broca de perfuração rotacionando em R_B ou mais rápido (em função da falta de resistência ao movimento através do furo de sondagem), uma quantidade desproporcionalmente grande de parede do furo de sondagem é removida em 50b. Pela redução periódica da velocidade de rotação da broca no ângulo de variação da velocidade a, à medida que o BHA rotaciona no furo de sondagem 30, o ângulo de desvio do furo de sondagem continua a se formar na região azimutal definida pelo arco 57 e pelo ângulo β.

Entende-se que o desvio do furo de sondagem também pode ser obtido pelo aumento periódico de R_B, desse modo, removendo uma quantidade desproporcional de parede do furo de sondagem no ângulo do aumento da rotação periódica.

Técnicas para Variar Periodicamente a Velocidade de Rotação da Broca

A equação (1) ilustra matematicamente que a velocidade de rotação da broca de perfuração R_B pode variar pela variação tanto da velocidade de rotação do motor R_M quanto da velocidade de rotação da coluna de perfuração Rd.

As figuras 4a, 4b e 4c ilustram graficamente a metodologia para variar periodicamente R_b pela variação periódica de R_m e pela manutenção de R_d em uma constante.

A curva 70 da figura 4a representa Rd em função do ângulo através do qual o BHA 10 é rotacionado. Expandindo para os exemplos supradiscutidos e ilustrados nas figuras 2 e 3, o ângulo de referência ou zero é novamente denotado em 51. Um ciclo de rotação completo de 360 graus do BHA é representado em 59, com três tais ciclos sendo ilustrados. Portanto, a coluna de perfuração está rotacionando em uma velocidade constante Rd mostrada em 53.

Com a coluna de perfuração rotacionando em um valor constante de 53, a curva 72 da figura 4b representa a velocidade de rotação da broca de perfuração R_m em função de ângulo através do qual o BHA 10 é rotacionado. Como na figura 4a, o ângulo de referência para um ciclo de rotação da coluna de perfuração é denotado em 51, com três ciclos 59 sendo novamente representados. Expandindo adicionalmente para os exemplos supradiscutidos e ilustrados nas figuras 2 e 3, Rm diminui periodicamente, da forma indicada pelas amplitudes 76, até um valor em 74, começando em um ângulo 54 (que corresponde ao ângulo de variação da velocidade a) para um ângulo de permanência de 60 (que corresponde ao ângulo de permanência de magnitude σ). Esta variação em R_M é periodicamente repetida durante os ciclos de rotação da coluna de perfuração.

Da forma supradiscutida, uma diminuição na rotação da broca em um lado do furo de sondagem faz com que a broca de perfuração se mova para o lado oposto do furo de sondagem, em que a velocidade de rotação da broca retorna ao normal ou mesmo aumenta. A figura 4c é uma ilustração similar à figura 4b, mas ilustra uma diminuição e aumento periódicos em R_M. Novamente, as amplitudes 76 ilustram uma diminuição em Rm até um valor 74 no ângulo azimutal 54 (correspondente ao ângulo a). Além do mais, as amplitudes 78 ilustram um aumento no valor de R_M até 80 no arco azimutal 57, terminando no ângulo 56 (correspondente ao ângulo β).

Considerando as ilustrações mostradas nas figuras 4a, 4b e 4c, pode-se ver que, quando R_D for mantido constante e R_M variar periodicamente, a velocidade de rotação ou a broca de perfuração R_B = R_D + Rm variam periodicamente, desse modo, resultando no desvio desejado do furo de sondagem.

A variação periódica em Rm pode ser controlada em tempo real durante a perfuração usando várias técnicas. A atenção é novamente direcionada para a figura 1, bem como para as figuras 4a, 4b e 4c. Tipicamente, estes métodos de orientação em tempo real utilizam a orientação e a posição do BHA 10 medidas com sensores na seção sensora auxiliar 22. Um primeiro método compreende o armazenamento de uma pluralidade de respostas à variação da velocidade de rotação da broca de perfuração (em função de α e de σ) na memória do fundo do poço na seção de componentes eletrônicos 26. Então, uma sequência apropriada é selecionada por um sinal de telemetria da superfície, com base na orientação de telemetria do BHA para a superfície, juntamente com o furo de sondagem-alvo conhecido. Tipicamente, a sequência apropriada é determinada usando um processador da superfície no equipamento da superfície 42. Este método é similar ao conceito de tabela de busca usado em inúmeros sistemas eletrônicos. Um segundo método compreende fazer telemetria dos valores de α e σ do equipamento da superfície 42 para o BHA 10, para direcionar a perfuração para o alvo. Os valores de α e σ são novamente selecionados pela consideração de ambos os dados de orientação do BHA (medidos com sensores dispostos na seção sensora auxiliar 22) de telemetria para a superfície e o alvo de perfuração direcional. Valores de telemetria da variação da velocidade e ângulos de permanência α e σ, respectivamente, são inseridos em um programa operacional, preferivelmente, residente em um processador do fundo de poço na seção de componentes eletrônicos 26. Então, a saída suprida pelo processador do fundo de poço é usada para controlar e variar periodicamente a velocidade de rotação do motor 14 para direcionar o furo de sondagem 30 para um alvo de formação desejado. Declarado em resumo, a variação periódica da velocidade de rotação da dita broca de perfuração é definida pela combinação, no dito processador do fundo de poço, de respostas dos sensores auxiliares com a informação de rotação de telemetria da dita superfície da terra.

Entende-se que outras técnicas podem ser usadas para obter variações periódicas em R_M incluindo, mas sem limitações, o uso de instruções de variação pré-programadas armazenadas na memória do fundo do poço da seção de componentes eletrônicos 26 e combinadas com os dados de orientação do BHA medidos usando os sensores da seção sensora auxiliar 22. Este método não exige comunicação de telemetria em tempo real com o equipamento da superfície 42.

A velocidade de rotação da broca Rb também pode variar pela variação de Rd, a velocidade de rotação da coluna de perfuração. A atenção é direcionada para as figuras 5a e 5b. A curva 95 da figura 5b mostra o motor 14 rotacionando em uma velocidade constante R_M 97 em função do ângulo através do qual o BHA 10 é rotacionado. Como nas figuras 4a, 4b e 4c, o ângulo de referência para um ciclo de rotação da coluna de perfuração é denotado em 51, com três ciclos de rotação da coluna de perfuração 59 sendo novamente representados. A figura 5a mostra a velocidade de rotação Rd da coluna de perfuração sendo periodicamente variada. Usando novamente o exemplo supradiscutido, a primeira rotação Rd diminui periodicamente, da forma indicada pelas amplitudes 92, até uma segunda velocidade de rotação em 93, começando em um ângulo de variação da velocidade 54 (que corresponde ao ângulo a) para um ângulo de permanência de 60 (que corresponde ao ângulo σ). Esta variação em R_D, entre as primeira e segunda velocidades de rotação, é periodicamente repetida durante os ciclos de rotação da coluna de perfuração.

Considerando as ilustrações mostradas nas figuras 5a e 5b, po15 de-se ver que, quando Rm for mantido constante e Rd variar periodicamente, a velocidade de rotação ou a broca de perfuração Rb = Rd + Rm variam periodicamente, desse modo, resultando no desvio desejado do furo de sondagem.

Tipicamente, a variação periódica em Rb é controlada na superfície da terra usando o equipamento da superfície 42 (no qual os valores de α e σ são inseridos), que coopera com a mesa rotativa (não mostrada) da plataforma de perfuração 38.

Entende-se que a taxa na qual um ângulo de desvio do furo de sondagem é formado depende de inúmeros fatores, incluindo a magnitude de aumento ou diminuição da variação periódica da velocidade de rotação da broca de perfuração. Para uma dada variação de velocidade de rotação da broca de perfuração, o valor de Rb pode variar em ciclos de rotação periodicamente escalonados da coluna de perfuração, tais como a cada outra rotação, a cada terceiro rotação, a cada quarta rotação e congêneres. Também se entende que Rb pode variar pela variação periódica e sincrônica tanto de Rd quanto de Rm usando as técnicas expostas.

Em uma modalidade alternativa da invenção, dois sistemas de telemetria são usados. Um primeiro sistema é o controle dedicado da variação periódica da velocidade de rotação da broca de perfuração Rb- Um segundo sistema de telemetria é dedicado às medições de telemetria feitas pelos sensores dispostos na seção sensora auxiliar 22 do BHA 10.

Sumário

Esta invenção compreende aparelho e métodos para orientar a direção de um furo de sondagem avançado pela ação de corte de uma broca rotativa de perfuração. A orientação é realizada pela variação periódica, durante um ciclo de rotação de 360 graus da coluna de perfuração, da velocidade de rotação da broca de perfuração, desse modo, cortando, preferencialmente, diferentes quantidades de material da parede do furo de sondagem em arcos azimutais predeterminados. O furo de sondagem desvia em uma direção azimutal na qual uma quantidade proporcionalmente grande de parede do furo de sondagem foi cortada. A broca de perfuração é rotacionada pela rotação simultânea tanto do motor da broca de perfuração quanto da coluna de perfuração. A invenção exige pouca, se alguma, força perpendicular ao eixo geométrico do furo de sondagem. Em vez disto, o desvio é alcançado se valendo somente da variação na velocidade de rotação da broca para remover, preferencialmente, material da parede do furo de sondagem, ainda mantendo simultaneamente a rotação da coluna de perfuração. Isto permite que os objetivos do caminho do furo de sondagem sejam alcançados usando menos intensidade e materiais menos onerosos do que aqueles que são exigidos em outros tais métodos e dispositivos associados. Além do mais, a invenção não exige o uso de hidráulica para impulsionar os elementos da coluna de perfuração para a direção de desvio desejada. A rotação contínua da coluna de perfuração, durante a perfuração de furo de sondagem tanto reto quanto desviado, fornece maior dissipação de calor e mais torque na broca de perfuração.

A descrição exposta deve ser considerada como ilustrativa e não restritiva, e a invenção é limitada somente às reivindicações que seguem.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para desviar um furo de sondagem (30) avançado por uma broca de perfuração (18) rotativa, caracterizado pelo fato de que compreende:

variar periodicamente a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) para remover, preferencialmente, uma quantidade de material desproporcional em um arco azimutal de uma parede do furo de sondagem (30);

variar periodicamente, em um ângulo de variação da velocidade, a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) de uma primeira velocidade de rotação para uma segunda velocidade de rotação;

manter a segunda velocidade de rotação através de um ângulo de permanência; e retomar, subsequentemente, a primeira velocidade de rotação.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente variar a rotação da broca de perfuração (18), pela variação periódica da velocidade de rotação de um motor (14) da broca de perfuração no qual a broca de perfuração (18) é operativamente anexada.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente variar periodicamente a velocidade de rotação da broca de perfuração (18), pela variação periódica da taxa de rotação de uma coluna de perfuração na qual a broca de perfuração (18) é operativamente anexada.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

a broca de perfuração (18) é operativamente anexada em um motor (14) da broca de perfuração e em uma coluna de perfuração; e o motor (14) da broca de perfuração e a coluna de perfuração são simultaneamente rotacionados enquanto a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) varia periodicamente.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente realizar telemetria, a partir da superfície da terra, do ângulo de variação da velocidade e do ângulo de permanência, para processador de fundo de poço que coopera com o motor (14) da broca de perfuração, desse modo, variando periodicamente a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) pelo controle da velocidade de rotação do motor (14) da broca de perfuração.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

armazenar o ângulo de variação da velocidade e o ângulo de permanência em uma memória do fundo de poço; e transferir o ângulo de variação da velocidade e o ângulo de permanência para processador de fundo de poço que coopera com o motor (14) da broca de perfuração, desse modo variando periodicamente a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) pelo controle da velocidade de rotação do motor de perfuração (14).
7. Método ,de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente realizar telemetria, a partir da superfície, do ângulo de variação da velocidade e do ângulo de permanência para um processador do fundo de poço que coopera com o motor (14) da broca de perfuração, desse modo, variando periodicamente a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) controlando a velocidade de rotação do motor (14) da broca de perfuração.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

armazenar o ângulo de variação da velocidade e o ângulo de permanência em uma memória do fundo de poço; e transferir o ângulo de variação da velocidade e o ângulo de permanência para um processador do fundo de poço que coopera com o motor de perfuração, desse modo variando periodicamente a velocidade de rotação da broca de perfuração (18) pelo controle da velocidade de rotação do motor de perfuração (14).

1/4