BRPI0905231A2 - aparelho para perfurar um furo de sondagem com uma coluna de sondagem e uma broca cooperante e um método para desviar um furo de sondagem - Google Patents

Abstract

APARELHO PARA PERFURAR UM FURO DE SONDAGEM COM UMA COLUNA DE SONDAGEM E UMA BROCA COOPERANTE E UM MéTODO PARA DESVIAR UM FURO DE SONDAGEM A presente invenção refere-se a um sistema para governar a direção de um furo de sondagem avançado pela ação cortante de uma broca rotativa pelo periodicamente variar a ação de uma broca enquanto girando continuamente uma coluna de sondagem à qual está operacionalmente afixado.O sistema de governo compreende um dispositivo de perturbação de broca cooperando com uma subseção de alojamento curvada e operacionalmente ligada com a coluna de sondagem e com a broca. A ação da brocaé variada pela variação periódica da velocidade de rotação ou a taxa de penetração da broca. A ação de broca periódica resulta em corte preferêncial de material de um arco predeterminado da parede do furo de sondagem que, por sua vez, resulta no desvio do furo de sondagem. A ação da broca pode ser variada independente da velocidade de rotação da coluna de sondagem.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOPARA PERFURAR UM FURO DE SONDAGEM COM UMA COLUNA DESONDAGEM E UMA BROCA COOPERANTE E UM MÉTODO PARA DES-VIAR UM FURO DE SONDAGEM".

A presente invenção refere-se ao pedido de patente U.S. Ns desérie 11/848.328 depositado em 31 de agosto de 2008, que é aqui incorpo-rado a título de referência.

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à perfuração direcional de um furo de sondagem de poço. Mais especificamente, a invenção refere-se à nave-gação da direção de um furo de sondagem propagado por uma broca rotati-va pelo periodicamente perturbar a ação da broca durante uma revolução dacoluna de sondagem com a qual a broca está operacionalmente conectadadessa maneira permitindo que a trajetória do furo de sondagem seja contro- lada durante contínua rotação da coluna de sondagem.Antecedentes

As complexas trajetórias e poços petrolíferos com múltiplos obje-tivos exigem a disposição exata do percurso do furo de sondagem do poço eflexibilidade para manter continuamente o controle do percurso. É preferido o controle ou a navegação da direção ou percurso do furo de sondagem du-rante a operação de perfuração. É ainda preferível controlar o percurso rapi-damente durante a operação de perfuração em qualquer profundidade e alvoà medida que o furo de sondagem é avançado pela operação de perfuração.

A perfuração direcional é complicada pela necessidade de operar um dispositivo de navegação da broca dentro de condições de furo de sonda-gem adversas. O dispositivo de navegação é tipicamente disposto próximo àbroca, que termina a extremidade inferior ou "fundo de furo" de uma colunade perfuração. De modo a obter controle direcional em tempo real desejado,há preferência em operar o dispositivo de navegação remotamente a partir da superfície do solo. Outrossim, o dispositivo de navegação tem de ser ope-rado para manter o percurso e direção desejados enquanto estando dispostopossivelmente a uma grande profundidade no interior do furo de sondagem eenquanto mantendo velocidades de perfuração práticas. Finalmente, o dis-positivo de navegação deve funcionar de maneira confiável sob condiçõesexcepcionais de calor, pressão e vibração que podem ser enfrentadas du-rante a operação de perfuração.

Muitos tipos de dispositivos de navegação direcional, compreen-dendo um motor disposto em um alojamento com um eixo geométrico deslo-cado do eixo geométrico da coluna de sondagem, são conhecidos da técnicaanterior. O motor pode ser de uma variedade de tipos inclusive elétrico, ouhidráulico. Turbomotores hidráulicos operados por fluido de perfuração circu-lante são comumente conhecidos como motores de "lama". Uma broca rota-tiva é afixada a um eixo do motor, e é girada pela ação do motor. O aloja-mento de motor axialmente deslocado, comumente conhecido como umasubseção curvada ou "submarino curvado", proporciona deslocamento axialque pode ser usado para alterar a trajetória do furo de sondagem. Pelo girara broca com o motor e simultaneamente girar a broca com a coluna de son-dagem, a trajetória ou percurso do furo de sondagem em avanço é paralelacom o eixo geométrico da coluna de sondagem. Pelo girar a broca com omotor apenas, a trajetória do furo de sondagem é desviada do eixo geomé-trico da coluna de sondagem não rotativa. Pelo alternar estas duas metodo-logias de rotação da broca, o trajeto do furo de sondagem pode ser controla-do. Uma descrição mais detalhada da perfuração direcional utilizando o con-ceito de submarino curvado é apresentada nas patentes US N2 3.260.318 e3.841.420, que são aqui incorporadas a título de referência.

A técnica anterior contém métodos e aparelhos para ajustar oângulo ou "curvatura" de um alojamento de submarino curvado dessa formadirigindo o ângulo de desvio do furo de sondagem em função deste ângulo.A técnica anterior também contém aparelhos e métodos para tratar de mo-mentos de torção indesejáveis que resultam das operações de navegaçãoinclusive embreagens que controlam a rotação de broca não-periódica demodo a posicionar a broca no sentido azimutal conforme necessário no inte-rior das paredes do furo de sondagem. Os sistemas de navegação da técni-ca anterior usando variações do conceito de submarino curvado tipicamenteconfiam em forças de empuxo ou orientadoras contínuas não-periódicas e oequipamento associado que dirige o percurso do furo de sondagem exer-cendo grandes pressões sobre a broca perpendiculares ao percurso do furode sondagem enquanto girando a coluna de sondagem.

Sumário da Invenção

A presente invenção compreende aparelhos e métodos para na-vegar a direção de um furo de sondagem propagado pela ação cortante deuma broca rotativa terminando em uma extremidade inferior ou extremidadede "furo de fundo" de uma coluna de sondagem. A ação cortante ou "ação"da broca é periodicamente perturbada durante a rotação de uma subseçãode alojamento curvado ou submarino curvado disposto na coluna de sonda-gem e afixada à broca desse modo cortando uma quantidade desproporcio-nalmente grande de material de um arco azimutal de parede do furo de son-dagem, que vem a resultar em um desvio azimutal na direção do furo desondagem enquanto girando continuamente a coluna de sondagem. A per-turbação pode consistir em uma variação periódica na velocidade de rotaçãoda broca ou alternativamente em qualquer variação periódica na taxa de pe-netração (ROP) da broca.

O dispositivo de navegação, que é disposto na extremidade defundo de furo de uma coluna de sondagem, compreende um dispositivo deperturbação de broca disposto acima do submarino curvado. Este dispositivode perturbação de broca pode compreender um motor de lama e um meca-nismo de freio/embreagem cooperante que periodicamente varia a velocida-de de rotação da broca. Alternativamente, o dispositivo de perturbação debroca pode compreender um motor de fluiso e um orifício de desvio variávelde lama de perfuração cooperante que periodicamente varia a velocidade derotação da broca. Finalmente, o dispositivo de perturbação de broca podecompreender martelos de ação rotativa, vibradores e similares que periodi-camente variam o ROP da broca. A broca de preferência é operacionalmen-te conectada ao dispositivo de perturbação de broca por um eixo. A brocapode ser girada tanto pelo dispositivo de perturbação de broca como pelaação da coluna de sondagem. Alternativamente, a broca pode ser giradapelo dispositivo de perturbação de broca ou somente pela ação rotativa dacoluna de sondagem.

Conforme acima exposto, o sistema de navegação é projetadode forma que a broca desproporcionalmente efetue o corte do material aolongo da parede do furo de sondagem em um arco azimutal para dirigir oavanço do furo de sondagem em uma trajetória desejada. Na modalidadedescrita da invenção, a ação da broca disposta abaixo do submarino curva-do é periodicamente variada neste arco predeterminado cortando uma quan-tidade desproporcionalmente pequena de material da parede do furo desondagem. Em conseqüência, a broca se desloca para o lado oposto do furode sondagem e corta uma quantidade desproporcionalmente maior da pare-de do furo de sondagem. O furo de sondagem tende então a sofrer um des-vio e avançar na direção azimutal em que a grande quantidade despropor-cional de material da parede do furo de sondagem foi removida. Esta remo-ção desproporcional de material é efetuada enquanto girando continuamentea coluna de sondagem.

A remoção de material de parede do furo de sondagem, assimcomo a navegação da trajetória do furo de sondagem, é realizada pelo variarperiodicamente a ação da broca durante a rotação da coluna de sondagem,com a broca cooperando com o submarino curvado. Caso o dispositivo deperturbação de broca compreenda um motor, o sistema de navegação podeusar dois elementos para girar a broca. O primeiro elemento utilizado paragirar a broca é a coluna de sondagem rotativa. O segundo elemento utilizadopara girar a broca é o motor disposto acima do submarino curvado e opera-cionalmente conectado à broca. A velocidade de rotação final da broca éconstituída pela soma das velocidades de rotação imprimidas pela coluna desondagem e pelo motor.

De preferência tanto a coluna de sondagem como o motor giramde maneira simultânea. Caso uma trajetória de furo de sondagem constanteseja desejada, tanto a velocidade de rotação da coluna de sondagem comodo motor ou ROP da broca são mantidas constantes através da totalidade darevolução da coluna de sondagem. O prosseguimento de rotação da brocaem torno do furo de sondagem remove essencialmente a mesma proporçãode material em torno da parede do furo de sondagem azimutalmente. Casouma trajetória de furo de sondagem desviada seja desejada, quer a veloci-dade de rotação da broca como o ROP da broca são periodicamente variadaquando passa através um setor azimutal predeterminado da superfície deparede do furo de sondagem. Esta variação periódica da ação da broca po-de ser efetuada pelo variar periodicamente a velocidade de rotação do mo-tor, pelo variar periodicamente a velocidade de rotação da coluna de sonda-gem, ou por qualquer variação periódica do ROP da broca. Estas metodolo-gias removem quantidades desproporcionalmente pequenas de um lado dofuro de sondagem e removem quantidades desproporcionalmente maioresde material do lado oposto do furo de sondagem. O furo de sondagem édesviado na direção da quantidade desproporcionalmente grande de materi-al removido. Estas metodologias serão expostas em detalhe nas subsequen-tes seções da presente invenção.Breve Descrição dos Desenhos

A maneira na qual as características e vantagens acima citadas,brevemente sumarizadas acima, são obtidas podem ser entendidas em deta-lhes em referência às modalidades ilustradas nos desenhos apenso.

A figura 1 ilustra um conjunto de furo dé sondagem compreen-dendo um submarino curvado disposto em um furo de sondagem por umacoluna perfuradora operacionalmente afixada a uma equipamento de perfu-ração rotativa;

a figura 2 ilustra um dispositivo de perturbação de broca com-preendendo um motor de lama 14a e um conjunto de freio/embreagem coo-perante;

a figura 3 ilustra um dispositivo de perturbação de broca com-preendendo um motor de lama e um orifício de desvio variável para fluido deperfuração;

a figura 4 ilustra um dispositivo de perturbação de broca quecompreende um conjunto que periodicamente varia a taxa de penetração dabroca;a figura 5 é uma seção transversal de um furo de sondagem ci-líndrico e é usado para definir determinados parâmetros usados na metodo-logia de navegação utilizando tanto variações periódicas na velocidade derotação da broca como no ROP da broca;

a figura 6 é uma seção transversal de um furo de sondagem noqual a velocidade de rotação do furo de sondagem ou alternativamente oROP da broca foi periodicamente variada dessa maneira removendo umaquantidade desproporcionalmente pequena de material de um lado do furode sondagem e uma quantidade desproporcionalmente grande de materialdo lado oposto do furo de sondagem;

a figura 7a é uma representação gráfica de uma taxa de rotaçãoconstante da broca ou um ROP constante da broca em função de uma plura-lidade de ciclos de rotação; e

a figura 7b é uma representação gráfica de uma velocidade de15 rotação decrescente periódica da broca ou ROP da broca em função de umapluralidade de rotações da coluna de sondagem.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

A presente invenção compreende aparelhos e métodos para na-vegar a direção de um furo de sondagem propagado pela ação cortante deuma broca rotativa. A invenção, que é descrita com três modalidades, seráexposta em seções. A primeira seção é dirigida no sentido de "hardware". Asegunda seção mostra em detalhes princípios operacionais básicos da in-venção. A terceira seção mostra em detalhe as três modalidades da inven-ção que produzirão os resultados de navegação de furo de sondagem dese-jado.

A perfuração direcional é obtida pelo periodicamente perturbar aação da broca. Para os fins da presente descrição, "variação periódica" édefinida como variar a velocidade de rotação da broca em uma pluralidadede rotações da coluna de sondagem de 360° ou "ciclos" no mesmo arco a-zimutal na pluralidade de rotações.Hardware

Atenção é dirigida à figura 1, que ilustra um conjunto de furo desondagem (BHA) 10 suspenso em um furo de sondagem 30 definido poruma parede 50 e penetrando em uma formação geológica 36. A extremidadesuperior do BHA 10 é operacionalmente conectada a uma extremidade infe-rior de um tubo de sondagem 35 por intermédio de um conector apropriado20. A extremidade superior do tubo de sondagem 35 é operacionalmenteconectada a um equipamento de perfuração rotativa que é bem-conhecidoda técnica e representado de forma conceptual em 38. A cobertura da super-fície 32 se estende do furo de sondagem 30 para a superfície 44 do solo.Elementos do aparelho de navegação são dispostos no interior de um sub-marino curvado 16 do BHA 10. Uma broca rotativa 18 é operacionalmenteconectada ao submarino rotativo 16 por um eixo 17. Qualquer rotação dabroca 18 é ilustrada conceptualmente pela seta Rb-

Mais uma vez reportando-se à figura 1, o BHA 10 também com-preende uma seção sensora auxiliar 22, uma seção fonte de alimentação deenergia 24, uma seção eletrônica 26, e uma seção de telemetria para fundode furo 28. A seção sensora auxiliar 22 compreende sensores direcionaistais como magnetômetros e inclinômetros que podem ser usados para indi-car as orientações do BHA 10 no interior do furo de sondagem 30. Esta in-formação, por sua vez, é usada no definir o percurso de trajetória de furo desondagem para a metodologia de navegação. A seção sensora auxiliar 22também pode compreender outros sensores usados nas operações de Me-dição Durante a Perfuração (MWD) e Registro Durante a Perfuração (LWD)incluindo, porém não limitados a sensores responsivos à radiação gama,radiação de neutrônios e campos eletromagnéticos. A seção eletrônica 26compreende componentes de circuito eletrônico para operar e controlar ou-tros elementos no interior do BHA 10. A seção eletrônica 26 de preferênciacompreende memória para fundo de furo (não mostrada) para armazenarparâmetros de perfuração direcional, medições efetuadas pela seção desensor, e sistemas operacionais de perfuração direcional. A seção eletrônica26 de preferência também compreende um processador para fundo de furopara elementos de controle compreendendo o BHA 10 e para processar vá-rios dados de medição e de telemetria. Elementos no interior do BHA 10 es-tão em comunicação com a superfície 44 do solo através de uma seção detelemetria para fundo de furo 28. A seção de telemetria para fundo de furo28 recebe e transmite dados para uma seção de telemetria no alto do furo(não mostrada) de preferência disposta no interior do equipamento na super-fície 42. Vários tipos de telemetria para furo de sondagem são aplicáveisinclusive sistemas de pulsos de lama, sistemas de sirene de lama, sistemaseletromagnéticos e sistemas acústicos. Uma seção fonte de alimentação deenergia 24 fornece a energia elétrica necessária para operar os outros ele-mentos dentro do BHA 10. A energia elétrica é tipicamente fornecida por ba-terias.

Mais uma vez reportando-se à figura 1 fluido de perfuração ou"lama" de perfuração é circulada a partir da superfície 44 para baixo através dacoluna de perfuração compreendendo o tubo de perfuração 35 e BHA 10, egres-sa através da broca 18, e retoma à superfície através do espaço anular da colu-na de perfuração do furo de sondagem. A circulação é ilustrada conceitual-mente por setas 12. O sistema de fluido de perfuração é bem-conhecido datécnica e é representado conceptualmente em 40.

Como mencionado previamente, navegação direcional é obtidausando um dispositivo de perturbação de broca. Três modalidades do dispo-sitivo de perturbação de broca são descritas. Deve ser entendido que asdescrições são de ordem genérica, e podem ser modificadas para obter re-sultados de navegação direcional similares.

A figura 2 ilustra um dispositivo de perturbação de broca 14 quecompreende um motor de lama 14a e um conjunto de freio/embreagem coo-perante 15. O motor de lama 14a é disposto no interior do submarino curva-do 16. O conjunto de embreagem/freio 15 é mostrado disposto dentro domotor 14a e coopera com o motor para periodicamente variar a velocidadede rotação da broca 18 operacionalmente afixado ao motor 14 pelo eixo 17.O motor 14 pode ser "Monyo" ou motor tipo turbina. O fluxo descendente defluido de perfuração imprime rotação à broca 18 através do eixo 17, confor-me indicado pela seta Rm mostrada na figura 2.

Embora o dispositivo de perturbação de broca mostrado na figu-ra 2 esteja disposto no interior do motor 14a, deve ser entendido que o con-junto de embreagem/freio 15 pode ser disposto em outras posições no inte-rior do trem de transmissão de motor-broca. Um exemplo de um conjunto deembreagem/freio é descritp na patente US N2 3.841.420, o qual é incorpora-do à presente descrição a título de referência. Outras modalidades dos con-juntos de embreagem/freio são descritas nas patentes US N2 5.738.178 e3.713.500. O conjunto de embreagem/freio 15 pode compreender um freiosimples, uma embreagem de múltidiscos hidráulica, ou uma embreagem dehisterese localizada no interior do trem de transmissão motor/broca ou no inte-rior da coluna de sondagem 35 acima do motor 14. O conjunto 15 coopera como processador no fundo do furo da seção eletrônica 26 para ser ativado periodi-camente durante uma rotação do BHA 10. Isto resulta em uma variação perió-dica na velocidade de rotação Rm da broca desse modo de Uma modalidademais complexa do conjunto de embreagem/freio 15 pode compreender doisou mais conjuntos de engrenagens que podem ser selecionados para aindaperiodicamente variar a velocidade de rotação da broca 18.

A figura 3 lustra um dispositivo de perturbação de broca 14 quecompreende um motor de lama 14a e um orifício de desvio variável para flui-do de perfuração 19 que controla o fluxo de fluido através do motor de lama.O conceito de um orifício de desvio variável tem sido usado nos sistemas detelemetria de pulso de lama da técnica anterior tal como do tipo descrito napatente US n2 4.869.100. Orifícios de desvio e válvula cooperando com mo-tores de turbina são descritas nas patentes U.S. 3.802.575 e 7.086.486. Aspatentes U.S. N2 3.958.217, 4.742.498 e 4.401.134 descrevem válvulas quegiram com um rotor munido de orifícios. Estas referências são aqui incorpo-radas à presente descrição a título de referência. Flutuações de pressão mí-nima são associadas com variações de fluxo desse modo exigindo menorpotência em HP das bombas da superfície. Qualquer variação periódica nofluxo de fluido através do orifício de desvio resulta em uma variação periódi-ca correspondente na velocidade de rotação Rm da broca 18. Embora ilus-trado como situado imediatamente acima do motor de lama 14a, deve serentendido que o orifício de desvio variável 19 pode ser disposto em outrasposições na coluna de sondagem acima do motor de lama ou alternativa-mente no interior do conjunto de motor de lama. O orifício de desvio variávelcoopera com o processador no fundo de furo da seção eletrônica 26 paraativar periodicamente durante uma rotação do BHA 10 e o submarino cruva-do 16. Isso resulta na variação periódica desejada em velocidade de rotaçãoRm da broca, desse modo de preferência removendo material da parede dofuro de sondagem em um arco azimutal predeterminado dessa forma desvi-ando o percurso do furo de sondagem em uma direção predeterminada.

A figura 4 ilustra um dispositivo de perturbação de broca 14 quecompreende um conjunto 14b que periodicamente varia a taxa de penetra-ção (ROP) ao invés da velocidade de rotação da broca 18. Estes elementosimprimem componentes de força axial e azimutal na face da broca e podemser, porém, sem estar limitados, martelos e vibradores. O dispositivo de per-turbação de broca 14b também pode compreender um motor elétrico ou mo-tor de lama. Vibradores e martelos podem ser constituídos por massas acio-nadas a fluido que se elevam e caem sob uma ação periódica fornecida peloprocessador no fundo de furo na seção eletrônica 26 desse modo aperfeiço-ando a transferência de peso para a broca 18. Alternativamente, uma massarotativa pode ser usada, sob a ação periódica do processador de fundo defuro, para periodicamente vibrar o BHA 10 desse modo aperfeiçoando atransferência de peso para a face da broca 18. Estas transferências, por suavez, resultam em um aumento no ROP. Embora os martelos e vibradoresimprimam uma força axial periódica de certo modo substancial ao longo dosubmarino curvado, um componente azimutal desta força de preferência re-move material da parede do furo de sondagem em um arco azimutal prefe-rêncial predeterminado, desse modo desviando o percurso do furo de son-dagem em uma direção predeterminada. A patente U.S. Ns 701.391 descre-ve um exemplo de um dispositivo usado para variar ROP, e é aqui incorpo-rado à presente descrição a título de referência. A variação ROP é obtida porum movimento axial recíproco ao longo do eixo geométrico da broca induzi-do pelo variar a taxa de vazão de fluido de perfuração. A patente U.S. N26.053.261 descreve aparelhos e métodos que são similares em conceito à-queles expostos na patente U.S. Ns 701.391.Princípios Operacionais Básicos

O BHA 10 mostrado na figura 1, quando girado a uma velocida-de de rotação constante ou operando a um ROP não-periódico no interior do furo de sondagem 30, varre um percurso circular abrindo um furo de sonda-gem ligeiramente maior que o diâmetro da broca 18. Este maior diâmetro,definido pela parede do furo de sondagem 50, é devido ao ângulo definidopelo eixo geométrico do tubo perfurador 35 e o eixo geométrico do alojamen-to de submarino curvado 16.

Variação Periódica de Rotação da Broca

Atenção é dirigida inicialmente às modalidades que criam perió-dica variação da velocidade de rotação da broca. Conforme exposto previa-mente, dois componentes de rotação da broca podem estar presentes. Oprimeiro componente resulta da ação do equipamento de perfuração rotativa38 que gira a inteira coluna de sondagem a uma velocidade de rotação deRd. O segundo componente de rotação resulta da ação do motor 10 que giraa broca a uma velocidade Rm- A velocidade de rotação da broca, Rb, é asoma destes dois componentes. Enunciado em termos matemáticos, a velo-cidade de rotação de broca Rb é (1) Rb = Rd+ RM

Como mostrado acima, os dois componentes Rd e Rm compre-endendo a velocidade de rotação de broca final Rb são geralmente conside-rados separáveis onde controle direcional é requerido. A título de exemploda técnica anterior, se Rd é ajustado a zero, então o motor 14 continuará a girar a broca 18 a uma velocidade de rotação Rm- A broca aumentará o ân-gulo de desvio do furo de sondagem a um ângulo azimutal constante defini-do pela posição do submarino curvado não-rotativo 16, com a coluna de per-furação deslizando para baixo pelo furo de sondagem por trás da broca emavanço. De forma alternativa, se um orifício de trajetória constante é requeri- do a ser perfurado, então a rotação da coluna de sondagem Rd é iniciadajuntamente com a rotação do motor Rm, o ângulo azimutal do submarino cur-vado 16 não é mais constante devido à rotação do BHA 10, e a broca giran-do a Rb = Rm + Rd corta por igual em todos os lados do furo.

No prosseguimento periódico da broca em torno da parede dofuro de sondagem descrito acima, onde Rd e Rm não são iguais a zero, abroca 18 corta uma seção azimutal diferente do furo em função do tempo deprocessamento. É durante este processamento de broca periódico que Rbpode ser instantaneamente e periodicamente alterado durante cada revolu-ção do BHA 10 para preferêncialmente cortar um lado do furo a uma taxadiferente daquela que corta o lado oposto do furo. Isto também resulta emângulo de desvio de furo de sondagem crescente, enquanto ainda girando acoluna de sondagem. Vantagens operacionais se apresentam no continuar agirar a coluna de sondagem, como será exposto em uma subsequente seçãoda presente invenção. A alteração periódica em Rb por revolução da colunade sondagem pode ser implementada pelo variar quer R0 quer Rm, conformeserá exposto em detalhes em subsequentes seções da presente descrição.Variação Periódica de ROP

Atenção passa a ser dirigida a seguir para a modalidade em queo ROP da broca é periodicamente variado para desviar a direção do furo desondagem. Se um furo de trajetória constante é requerido a ser perfurado,então o ROP da broca Pb é mantido constante durante uma revolução dadada coluna de sondagem. Se Pb é periodicamente variado pelo ativar e desa-tivar os elementos do dispositivo de perturbação de broca, a broca 18 cortauma seção azimutal diferente do furo em função do tempo de processamen-to. É durante este processamento de broca periódico que Pb pode ser demaneira instantânea e periódica alterado durante cada revolução do BHA 10para de preferência cortar um lado do furo a uma taxa diferente daquela quecorta o lado oposto do orifício. Isto resulta em ângulo de desvio de furo cres-cente, enquanto ainda girando a coluna de sondagem.Desvio do Furo de Sondagem

A figura 5 é uma seção transversal de um furo de sondagem ci-líndrico 30 e é usada para definir determinados parâmetros usados na meto-dologia de navegação utilizando tanta variação periódicas na velocidade derotação de broca como no ROP da broca. O centro do furo de sondagem éindicado em 52, e um furo de sondagem ou ângulo de referência azimutal"zero" é indicado em 51. Para as modalidades de velocidade de rotação dabroca, a velocidade de broca Rb é, decrescida para um valor RBci se inician-do essencialmente ao ângulo de variação a indicado em 54 e prosseguindoatravés de um ângulo de "retardo" de magnitude indicado em 60. De manei-ra idêntica, para a modalidade ROP1 o ROP de broca Pb é decrescido pelodesativar o conjunto de perturbação de broca para um valor PBci se iniciandoessencialmente a um ângulo de variação α indicado em 54 e continuado a -través de um ângulo de "retardo" de magnitude indicado em 60. A posiçãoazimutal do ângulo de variação α de preferência é definida com respeito aoângulo de referência 51. A velocidade de rotação da broca, ou o ROP debroca é então resumida essencialmente para Rb e PB, respectivamente, parao restante do ciclo de rotação de 360°.

Enunciado em termos mais gerais, a taxa de ação da broca évariada de uma primeira taxa de ação para uma segunda taxa de ação aoângulo de variação α. A segunda taxa de ação é mantida através do ângulode retardo, e então retornada à primeira taxa de ação. Estas variações peri-ódicas em Rb e Pb decrescem o poder de corte durante o ângulo de retardoσ. (mostrado em 60) deixará um excedente de material de parede de furo desondagem essencialmente ao ângulo de retardo azimutal σ. Este excedentede material naturalmente causa a broca a se deslocar radialmente para olado oposto do furo onde uma seção de arco azimutal σ/2 é indicada em 57que termina a um ângulo β, onde:

(2) β = α- 180°+ σ/2

e β é indicado em 56. A velocidade de rotação da broca ou ROP através doarco σ/2 para o ângulo β é maior que RBd ou PBd. Isto resulta na remoção deuma quantidade desproporcionalmente grande de material de parede de furode sondagem essencialmente no arco azimutal 57 desse modo desviando ofuro de sondagem nesta direção azimutal.

Os efeitos previamente expostos de variar a velocidade de rota-ção da broca ou ROP da broca são ilustrados conceitualmente na vista emseção transversal do furo de sondagem da figura 6. A ação da broca é per-turbada pelo variar a velocidade de rotação de Rb para RBd; ou pelo variarROP de Pb para PBcj, quando a broca atinge o ângulo α indicado em 54. Abroca nesta posição azimutal é representada em 18a. Devido à redução navelocidade de rotação da broca ou ROP, há um excesso de material ao Ion-go da superfície de parede de furo de sondagem em 50a que correspondeao ângulo de retardo σ mostrado na figura 2. A velocidade de rotação debroca ou ROP é subseqüentemente aumentada para Rb ou Pb, respectiva-mente, e a broca se desloca para o lado oposto do furo de sondagem 30para o arco azimutal 57 terminando no ângulo β. A broca nesta posição éconforme conceitualmente representada em 18b.

Uma quantidade desproporcionalmente grande da parede dofuro de sondagem é removida em 50b. Pelo reduzir periodicamente Rb ou Pbno ângulo de variação α quando o BHA gira dentro do furo de sondagem 30,o ângulo de desvio do furo de sondagem continua a se formar na região a-zimutal definido pelo arco 57 e o ângulo β.

Deve ser entendido que o desvio do furo de sondagem tambémpode ser obtido pelo periodicamente aumentar Rb ou PB, dessa forma remo-vendo uma quantidade desproporcionalmente grande de parede do furo desondagem ao ângulo de aumento de rotação periódica.

As figuras 7a e 7b ilustram graficamente os resultados das me-todologias acima expostas para variação de velocidade de rotação de brocae modalidades de variações de ROP de broca da invenção. Os resultadossão conceitualmente os mesmos para periodicamente variar Rb ou PB. Ilus-trações adicionais para variar Rb são descritas no pedido de patente previa-mente citado U.S. Na de série 11/848.328.

A curva 70 na figura 7a representa quer Rb quer Pb (ordenadas)em função do ângulo (abscissa) através do qual o BHA 10 é girado. Rb érepresentado pela ordenada esquerda e Pb é representado pela ordenadadireita. Ambas as ordenadas são em unidades arbitrárias. Expandindo sobreos exemplos acima expostos e ilustrados nas figuras 5 e 6, o ângulo de refe-rência ou ângulo "zero" é mais uma vez indicado em 51. Um ciclo de rotaçãocompleto BHA de 360 graus é representado em 59, com três de tais ciclossendo ilustrados. A broca, por conseguinte, girando a uma velocidade cons-tante Rb mostrada em 53a ou penetrando a uma taxa constante Pb mostradaem 53b.

A curva 72 na figura 7b representa Rb ou Pb em função do ângu-lo através do qual o BHA 10 é girado. Como na figura 7a, o ângulo de refe-rência para um ciclo de rotação da coluna de sondagem é indicado em 51,com três ciclos 59 mais uma vez sendo representados. A broca nominal giraa uma velocidade Rb 53a ou penetra a uma taxa constante Pb de 53b. Adi-cionalmente se expandindo nos exemplos acima expostos e ilustrados nasfiguras 5 e 6, quer Rb quer Pb são periodicamente decrescidos, como indica-do por excursões 76, para valores em 74a e 74b, respectivamente. Estesdecréscimos são iniciados a um ângulo 54 (que corresponde ao ângulo devariação de velocidade a) para um ângulo de retardo de magnitude σ). De-pendendo da modalidade da invenção, variações em Rb ou Pb são repetidasperiodicamente durante ciclos de rotação da coluna de sondagem. Comoexposto previamente, um decréscimo na rotação da broca ou ROP em umlado do furo de sondagem causa a broca a se deslocar para o lado opostodo furo de sondagem onde a velocidade de rotação de broca ou ROP retor-na ao normal ou até aumenta.

A variação periódica em Rb ou Pb pode ser controlada em temporeal durante a perfuração utilizando várias técnicas. Atenção é mais uma vezdirigida para a figura 1 assim como as figuras 7a e 7b. Estes métodos denavegação em tempo real tipicamente utilizam orientação e posição BHA 10medidas com sensores dentro da seção sensora auxiliar 22. Um primeirométodo compreende o armazenamento de uma pluralidade de taxas de açãode broca (por exemplo, em função de α e σ) dentro da memória no fundo defuro na seção eletrônica 26. Uma seqüência apropriada é então selecionadapor um sinal telemetrado a partir da superfície baseado na orientação deBHA telemetrada para a superfície juntamente com o furo de sondagem-alvoconhecido. A seqüência apropriada é tipicamente determinada usando umprocessador na superfície dentro do equipamento de superfície 42. Este mé-todo é similar ao conceito de "tabela de consulta" usada em numerosos sis-temas eletrônicos. Um segundo método compreende valores de telemetriade α e σ provenientes de equipamento na superfície 42 para o BHA 10 paradirigir a perfuração para o alvo. Os valores de α e σ são mais uma vez sele-cionados pelo considerar tanto os dados de orientação de BHA (medidoscom sensores dispostos na seção sensora auxiliar 22) transmitidos por tele-metria para a superfície e o alvo de perfuração direcional. Os valores teleme-trados de taxas de ação de broca e ângulos de retardo α e σ respectivamen-te, são introduzidos em um programa operacional preferivelmente residenteno processador no fundo de furo dentro da seção eletrônica 26. A saída for-necida pelo processador de fundo de furo é então usada para controlar eperiodicamente variar a velocidade de rotação do motor 14 ou altivamente oROP da broca para dirigir o furo de sondagem 30 para uma formação-alvodesejada. Em termos sumários, a ação da broca 18 é variada periodicamen-te pelo dispositivo de perturbação de broca 14 cooperando com o processa-dor de fundo de furo, respostas dos sensores auxiliares, e de preferênciacom informações direcionais transmitidas por telemetria a partir da superfíciedo solo.

Deve ser compreendido que outras técnicas podem ser usadaspara obter variações periódicas em Rb ou Pb incluindo, porém não limitadasao uso de instruções de variação pré-programadas armazenadas na memó-ria de fundo de furo da seção eletrônica 26 e combinadas com dados de ori-entação de BHA medidos usando sensores na seção sensora auxiliar 22.Este métodos não requer comunicação de telemetria em tempo real com oequipamento da superfície 42.Sumário

A presente invenção compreende aparelhos e métodos para na-vegar a direção de um furo de sondagem avançado pela ação cortante deuma broca rotativa. A navegação é efetuada pelo utilizar um dispositivo deperturbação de broca para periodicamente variar, durante um ciclo de rota-ção de 360° da coluna de sondagem, a velocidade de rotação da broca oualternativamente o ROP da broca. Estas variações periódicas resultam nocorte preferêncial de diferentes quantidades de material da parede do furode sondagem dentro de arcos azimutais predeterminados. O furo de sonda-gem se desvia em uma direção azimutal na qual uma quantidade proporcio-nalmente grande de parede do furo de sondagem foi cortada. A invençãorequer pouca ou nenhuma força perpendicular ao eixo geométrico do furo desondagem. Desvio em vez disso é obtido pelo confiar somente no dispositivode perturbação de broca cooperando com o submarino curvado e a brocapara de preferência remover material da parede do furo de sondagem en-quanto simultaneamente mantendo a rotação da coluna de sondagem. Istopermite que os objetivos de percurso de furo de sondagem sejam alcança-dos usando materiais de menor resistência, menos dispendiosos que aque-les usados em outros ditos métodos e dispositivos associados. Além disso, ainvenção não requer o uso de sistemas hidráulicos interagindo com a parede defuro de sondagem para compelir os membros de furo de sondagem para a dire-ção de desvio desejada. A contínua rotação da coluna de sondagem, enquantoperfurando furos de sondagem tanto retilíneos como desviados proporcionasuperior dissipação de calor e maior momento de torção da broca.

A descrição da invenção acima deve ser considerada como ilus-trativa e não restritiva, e a invenção é limitada somente pelas reivindicaçõesque se seguem.

Claims (20)

1. Aparelho para perfurar um furo de sondagem com uma colunade sondagem e uma broca cooperante, o aparelho compreendendo:(a) um submarino curvado; (b) um dispositivo de perturbação de broca; em que- a dita coluna de sondagem e dito dispositivo de perturbaçãoestão operacionalmente conectados à broca para operar a dita broca deforma independente da rotação da coluna de sondagem;- o dito dispositivo de perturbação de broca periodicamente varia a ação da broca; e- o furo de sondagem é desviado pela variação periódica de a-ção da broca.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que a dita co-luna de sondagem gira continuamente durante o desvio do furo de sonda- gem.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dis-positivo de perturbação de broca compreende um motor de lama e um con-junto de freio/embreagem cooperante.

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dis- positivo de perturbação de broca compreende um motor de lama e um orifí-cio de desvio variável de líquido de perfuração.

5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dis-positivo de perturbação de broca compreende um elemento que conferecomponentes de força axial e azimutal à broca.

6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que a dita co-luna de sondagem e a broca são girados simultaneamente.

7. Método para desviar um furo de sondagem avançado por umabroca rotativa operativamente afixado a uma coluna de sondagem, o métodocompreendendo ação perturbadora periódica da broca com um dispositivo de perturbação de broca para preferêncialmente remover uma quantidadedesproporcional em um arco azimutal de uma parede do furo de sondagemenquanto mantendo a rotação contínua da coluna de sondagem.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, em que o dito dispo-sitivo de perturbação de broca compreende um motor de lama e um conjuntode freio/embreagem cooperante.

9. Método de acordo com a reivindicação 7, em que o dito dispo-sitivo de perturbação de broca compreende um motor de lama e um orifíciode desvio variável de fluido de perfuração.

10. Método de acordo com a reivindicação 7, em que o dito dis-positivo de perturbação de broca compreende um elemento que imprimecomponentes de força axial e azimutal à broca.

11. Método de acordo com a reivindicação 7, em que:(a) o dito dispositivo de perturbação de broca é operacionalmen-te afixado à broca e à coluna de sondagem; e(b) a dita broca e a coluna de sondagem são simultaneamentegirados enquanto a velocidade de rotação da broca é periodicamente variada.

12. Método de acordo com a reivindicação 7, em que:(a) o dito dispositivo de perturbação de broca ser operacional-mente afixado à broca e a uma coluna de sondagem; e(b) a taxa de penetração da broca é periodicamente variada en-quanto a coluna de sondagem é simultaneamente girada.

13. Método de acordo com a reivindicação 7, ainda compreen-dendo:(a) periodicamente variar, a um ângulo de variação, a ação dabroca de uma primeira velocidade de ação para uma segunda velocidade deação;(b) manter a segunda velocidade de ação através de um ângulode espera; e(c) subseqüentemente reassumir a primeira velocidade de ação.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, ainda compreen-dendo transmitir por telemetria, a partir da superfície do solo, o dito ângulode variação e o dito ângulo de espera para um processador no fundo do furocooperante com o dito dispositivo de perturbação de broca desse modo vari-ando periodicamente a ação da broca.

15. Método de acordo com a reivindicação 13, ainda compreen-dendo:(a) armazenar o dito ângulo de variação e o dito ângulo de espe-ra em uma memória no fundo do furo; e(b) transferir o dito ângulo de variação e o dito ângulo de esperapara um processador de fundo de furo cooperando com o dito dispositivo deperturbação de broca desse modo variando periodicamente a dita ação dadita broca.

16. Conjunto de furo de sondagem direcional terminando emuma extremidade de fundo de furo de uma coluna de sondagem, o dito con-junto compreendendo:(a) um dispositivo de perturbação de broca cooperante com umasubmarino curvado;(b) sensores auxiliares indicando orientação e posição do con-junto de furo de sondagem no interior do dito furo de sondagem;(c) sistema de telemetria para comunicação entre o dito conjuntode furo de sondagem e a superfície do solo; e(d) um processador de fundo de furo; em que(e) a dita coluna de sondagem e o dito dispositivo de perturba-ção de broca são operacionalmente conectados com a broca para operar adita broca independente de rotação da coluna de sondagem;(f) o dito furo de sondagem é desviado pela ação variável periódicada broca enquanto girando continuamente a dita coluna de sondagem; e(g) a dita ação variável periódica da dita broca é definida pelocombinar, no interior do dito processador de fundo de furo, respostas dosditos sensores auxiliares com informações a partir da superfície do solo.

17. Conjunto de acordo com a reivindicação 16, em que o ditodispositivo de perturbação de broca compreende um motor de lama e umconjunto de freio/embreagem cooperante ou um motor de lama e um orifíciode desvio de fluido variável ou um elemento que imprime componentes deforça azimutal à broca.

18. Conjunto de acordo com a reivindicação 16, em que a ditaação da dita velocidade da broca é variada pela variação periódica de velo-cidade de rotação da dita broca.

19. Conjunto de acordo com a reivindicação 16, em que a ditavariação periódica da dita broca é obtida pela variação periódica da taxa depenetração da broca.

20. Conjunto de acordo com a reivindicação 16, em que a ditacoluna de sondagem e a dita broca são simultaneamente girados.