BRPI0910881B1

BRPI0910881B1 - Aparelhos para perfurar e para controlar a velocidade rotacional de uma ferramenta de perfuração, e, método para perfurar.

Info

Publication number: BRPI0910881B1
Application number: BRPI0910881-5A
Authority: BR
Inventors: Jonathan Ryan Prill; Nicholas Ryan Marchand; Ralph William Graeme Johns
Original assignee: Dreco Energy Services Ltd.
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2019-03-26
Also published as: EP2279327A2; CA2721228C; US20160084004A1; AU2009257951A1; CN102007269B; BRPI0910881A2; AU2015255267A1; US20110036631A1; MX349800B; CN102007269A; MX2010011215A; PL2279327T3; CA2721228A1; US9206647B2; EP2279327A4; MX363771B; AU2015255267B2; WO2009151786A3; RU2450122C1; EP2279327B1

Abstract

aparelhos para perfurar e para controlar a velocidade rotacional de uma ferramenta de perfuração, e, método para perfurar um aparelho de controle da velocidade rotacional de furo abaixo, adaptado para acoplar-se à extremidade inferior de uma coluna de perfuração, inclui motor de cavidade, eixo de acionamento, uma válvula de controle de fluxo de lama e uma seção de eletrônica. a lama de perfuração, fluindo para baixo através da coluna de perfuração, é parcialmente desviada para fluir para cima através do motor pc e para fora para dentro da coroa circular do furo de poço, com a velocidade de fluxo de lama e, por sua vez, a velocidade do motor pc sendo controlada pela válvula de controle de fluxo de lama. a válvula de controle é acionada por um motor de controle, em resposta a entradas de uma unidade sensora da seção de eletrônica. o motor pc aciona o eixo de acionamento e um dispositivo de furo abaixo controlado, em urna velocidade rotacional zero ou não-zero específica. variando-se a velocidade rotacional do motor pc em relação à velocidade rotacional da coluna de perfuração, a orientação da face de ferramenta ou velocidade rotacional nãozero do dispositivo controlado em urna ou em outra direção pode ser variada em uma maneira controlada.

Description

“APARELHOS PARA PERFURAR E PARA CONTROLAR A

VELOCIDADE ROTACIONAL DE UMA FERRAMENTA DE

PERFURAÇÃO, E, MÉTODO PARA PERFURAR”

CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção refere-se genericamente a métodos e aparelho para perfuração de poço e, mais particularmente, refere-se a métodos e aparelho para controlar e ajustar o trajeto de um furo de poço.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] Ao perfurar um furo de sondagem (ou furo de poço) dentro da terra, tal como para a recuperação de hidrocarbonetos ou minerais de uma formação se subsuperfície, é prática convencional conectar uma broca na extremidade inferior de uma “coluna de perfuração”, em seguida girar a coluna, de modo que o progresso da broca para baixo para dentro da terra crie o desejado furo de sondagem. Uma coluna de perfuração típica é composta de uma unidade de seções de tubo de perfuração conectadas extremidade-comextremidade, mais uma “unidade de furo abaixo” (“BHA”) disposta entre o fundo das seções de tubo de perfuração e a broca. A BHA é tipicamente composta de sub-componentes, tais como colares de perfuração, estabilizadores, escareadores e/ou outras ferramentas e acessórios, selecionados para adaptarem-se às exigências particulares do poço sendo perfurado.

[0003] Em operações de perfuração de furo de sondagem vertical convencionais, a coluna de perfuração e a broca são giradas por meio de uma “mesa rotativa” ou um “drive de topo” associado com um equipamento de perfuração erguido na superfície da terra sobre o furo de sondagem (ou em operações de perfuração offshore, em uma plataforma de perfuração suportada pelo leito do mar ou navio flutuante adequadamente adaptado). Durante o processo de perfuração, um fluido de perfuração (comercialmente referido como “lama de perfuração” ou simplesmente “lama”) é bombeado

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2/19 sob pressão descendente da superfície através da coluna de perfuração, para fora da broca de perfuração para dentro do furo de poço e então para cima para a superfície através do espaço anular (“coroa circular de furo de poço) entre a coluna de perfuração e o furo de poço. O fluido de perfuração carrega os detritos de furo de sondagem para a superfície, esfria a broca de perfuração e forma uma torta protetora sobre a parede de furo de sondagem (para estabilizar e selar a parede de furo de sondagem), bem como outras funções benéficas.

[0004] Como uma alternativa para a rotação por uma mesa rotativa ou uma transmissão de topo, uma broca de perfuração pode também ser girada usando-se um “motor de furo abaixo” (altemativamente referido como um “motor de perfuração” ou “motor de lama”) incorporado dentro da coluna de perfuração imediatamente acima da broca. A técnica de perfuração girando-se a broca com um motor de lama sem girar a coluna de perfuração é comumente referida como perfuração “deslizante’. É comum em certos tipos de operação de perfuração de poço utilizarem-se tanto perfuração deslizante como rotação de coluna de perfuração, em diferentes estágios da operação.

[0005] Um dos componentes primários de um motor de furo abaixo é a seção de força, que é comumente provida na forma de um motor de cavidade progressiva (ou “motor PC), compreendendo um estator alongado genericamente cilíndrico, mais um rotor alongado, que é excentricamente rotativo dentro do estator. Como é bem conhecido na técnica, um motor PC é essencialmente a mesma coisa que uma bomba de deslocamento positivo (ou “bomba Moineau”, porém operada inversamente e, portanto, podería também ser referida como um motor de deslocamento positivo. Embora todos estes termos assim possam ser usados intercambiavelmente, para simplicidade e consistência o termo “motor PC” será usado por todo este documento de patente.

[0006] O rotor do motor PC é formado com uma ou mais pás ou lobos

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3/19 helicoidais circundando um eixo central e estendendo-se ao longo de seu comprimento. O estator define lobos helicoidais de uma configuração genericamente complementar aos lobos de motor, porém a numerando-se um ou mais dos numerosos lobos. Na operação típica de um motor de furo abaixo, o fluido de perfuração fluindo para baixo através da unidade de tubo de perfuração é desviado através do motor PC, fazendo com que o rotor gire dentro do estator, assim, girando um eixo de acionamento e resultando em rotação da broca (que é operavelmente conectada ao eixo de acionamento através de outros componentes do motor de furo abaixo e BHA).

[0007] O furo de poço vertical (isto é, um furo de poço que é destinado a ser vertical) pode desviar-se do trajeto vertical desejado durante o processo de perfuração, por razão da broca defletar-se quando encontrando obstáculos de subsuperfície, tais como falhas ou descontinuidades na formação, através da qual o poço está sendo perfurado. Tais desvios devem ser corrigidos a fim de o furo de poço alcançar o ponto extremo desejado e é sabido corrigir um trajeto de furo de poço desviado, empregando-se um motor de furo abaixo direcionável orientável, em conjunto com as técnicas de perfuração direcionais. Entretanto, o furo de poço pode desviar-se do trajeto corretivo desejado, quando utilizando-se um motor de furo abaixo direcionável, devido à dificuldade de controlar a orientação da coluna de perfuração e à necessidade de utilizarem-se técnicas de perfuração deslizante com esta configuração de coluna de perfuração. Por conseguinte, há necessidade de sistemas mais simples, mais confiáveis e menos dispendioso e mecanismos de controle associados para acionar e direcionar as ferramentas de furo abaixo rotativas para retomar de um furo de soldagem vertical desviado para um trajeto vertical.

[0008] Um furo de poço direcional (isto é, um furo de poço ou uma parte de um furo de poço que é destinada a ter um trajeto não-vertical) requer um controle durante o processo de perfuração para que o furo de poço

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4/19 resultante alcance o alvo predeterminado. Técnicas de perfuração direcional conhecidas, empregando-se um motor de furo abaixo orientável, direcionável, são comumente usadas para direcionar o furo de poço ao longo de um desejado trajeto tridimensional e para corrigir os desvios de trajeto de furo de poço, causados por obstáculos de subsuperfície e irregularidades. Entretanto, como no vaso anteriormente discutido de furos de soldagem verticais desviados, o uso de um motor de furo abaixo orientável, direcionável para corrigir furos de poço direcionais desviados pode ser complicado ou frustrado por dificuldades controlando a orientação da coluna de perfuração e a necessidade de utilizarem-se técnicas de perfuração deslizante com esta configuração de coluna de perfuração. Portanto, há uma outra necessidade de sistemas mais simples, mais confiáveis e menos dispendiosos e mecanismos de controle associados para acionar e direcionar as ferramentas de furo abaixo rotativas para retomarem a um furo de poço direcional desviada para o trajeto pretendido.

[0009] Os documentos da técnica anterior pertinentes ao estado da técnica da presente invenção incluem as seguintes patentes U.S:

3,260.318 - Well Drilling Aparatus (Nelson et al.)

3.603.407 - Well Drilling Aparatus (Clark)

3.637.032 - Aparelho para perfuração Direcional (Jeter) 3.667.556 - Directional Drilling Apparatus (Henderson) 3.743.034 - Steerable Drill String (Bradley)

4.339.007 - Progressive Cavity Motor Goveming System (Clark)

4.577.701 - System of Drilling Deviated Wellbores (Dellinger et al.)

5.113.953 - Directional Drilling Apparatus and Method (Noble)

5.265.682 - Steerable Rotary Drilling Systems (Russel et al.)

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5.513.754 - Stabilization Devices para Drill Motors (Downie et al.)

5.685.379 - Method of Operatin a Steerable Rotary Drilhng Tool (Barr et al.)

5.706.905 - Steerable Rotary Drilhng Systems (Barr)

5.803.185 - Steerable Rotary Drilhng Systems and Method of Operating (Barr et al.)

5.875.859 - De vice for Controlling the Drilhng Direction of Drill Bit (Ideda et al.)

RE 29.526 - Directional Drilhng Apparatus (Jeter).

RE 33.752 - System and Method for Controlled Directional Drilhng (Geczy et al.).

BREVE RESUMO DA INVENÇÃO [00010] Provido de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção é um aparelho de controle da velocidade rotacional, provido para uso em associação com um dispositivo controlado (tal como, mas não limitado a uma unidade de controle de desvio ou, simplesmente, “unidade de desvio”) incorporado dentro da BHA de uma coluna de perfuração. Provido de acordo com um segundo aspecto da invenção é um método para controlar o trajeto de um furo de poço e para corrigir desvios de um desejado trajeto de furo de poço, durante a perfuração do furo de poço.

[00011] Em uma forma de realização preferida, o aparelho de controle da velocidade rotacional da invenção compreende os seguintes componentes em arranjo linear (começando com o componente mais em baixo):

• um motor de cavidade progressiva (PC);

• um eixo de acionamento;

• uma válvula de controle de fluxo de lama;

• um motor de controle para operar a lama (válvula de controle de fluxo de lama; e

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6H9 • uma unidade de controle de motor (altemativamente referida como a seção de eletrônica) para controlar o motor de controle. [00012] A energia elétrica para o aparelho é preferivelmente provida por um pacote de baterias disposto acima da seção de eletrônica dentro da BHA. Entretanto, a energia elétrica pode altemativamente ser provida por outros meios conhecidos, tais como mas não limitado a uma turbina de geração de força, incorporada dentro da BHA. A extremidade superior do aparelho de controle da velocidade rotacional, como descrito acima, é conectável, utilizando-se métodos bem conhecidos, à extremidade inferior do tubo de perfuração (ou, mais tipicamente, aos sub-componentes de BHA adicionais, que, por sua vez, se conectam ao tubo de perfuração). A extremidade inferior do aparelho de controle da velocidade rotacional é operavelmente conectável a um dispositivo controlado que termina com uma ferramenta de perfuração, tal como uma broca. O dispositivo controlado não faz parte das mais amplas formas de realização da presente invenção. Em formas de realização em que o dispositivo controlado compreende uma unidade de desvio, a unidade de desvio pode ser de qualquer tipo adequado conhecido na técnica (sistemas “aponta-a-broca” e “empurra a broca” e um motor de furo abaixo direcionável sendo seus três exemplos não limitantes). [00013] Um ou mais orifícios de entrada na extremidade inferior do alojamento do motor PC permitem que uma parte da lama de perfuração sendo bombeada para baixo, através da coluna de perfuração entre na extremidade inferior do motor PC e mova-se para cima ali dentro, assim fazendo com que o motor PC gire na direção oposta a sua direção rotacional normal (p. ex., quando sendo usado para girar uma broca). A fim de que tal fluxo de lama ascendente ocorra, é necessário prover-se uma ou mais orifícios de saída na extremidade superior do motor PC, por meio do que a lama de perfuração saindo pela extremidade superior do motor PC pode fluir para dentro da coroa circular do furo de poço. O fluxo de lama através dos orifícios

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7/19 de saída é regulado pela válvula de controle de fluxo de lama, que é acionada por um motor de controle, em resposta às entradas de controle de uma unidade sensora incorporada dentro da seção de eletrônica. O motor de controle preferivelmente mas não necessariamente será um motor elétrico. A unidade sensora pode compreender um ou mais acelerômetros, sensores de inclinação, sensores de pressão, sensores azimute e/ou sensores de velocidade rotacional.

[00014] A seção de eletrônica percebe a velocidade rotacional relativa do sistema de controle da velocidade rotacional e opera o motor de controle para acionar a unidade de válvula de controle de fluxo de lama, como requerido para controlar e regular o fluxo ascendente da lama de perfuração através do motor PC, como requerido para efetuar as mudanças desejadas na taxa de rotação da unidade de desvio, em resposta a informação da unidade sensora. O motor PC aciona o eixo de acionamento e a unidade de desvio (ou outro dispositivo controlado) em uma velocidade rotacional específica zero ou não-zero. Empregando-se a unidade de válvula de controle de fluxo de lama e a seção de controle eletrônico, a velocidade do motor PC é variada por medição controlada do fluxo de fluido de perfuração que é dirigido através do motor PC.

[00015] Em uma primeira forma de realização do aparelho da invenção, um motor PC rotativo normalmente no sentido do relógio (como visto por cima) concede uma rotação contra o sentido do relógio à unidade de desvio, escoando a lama de perfuração para cima através do motor PC. Uma segunda forma de realização alternativa teria um motor PC normalmente rotativo no sentido contrário ao de um relógio, fornecendo rotação contrária a de um relógio para a unidade de desvio escoando lama de perfuração para baixo através do motor PC. Nesta forma de realização, os orifícios de entrada de lama seriam em uma região superior do motor PC e a lama deixa os orifícios e a válvula de controle de fluxo de lama ficaria em uma extremidade

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8/19 inferior do motor PC. Uma outra forma de realização alternativa teria um motor PC configurado se modo que a saída rotacional no sentido do relógio é suprida para o dispositivo de controle ou unidade de desvio.

[00016] De acordo com a primeira forma de realização descrita acima, o rotor do motor PC aciona um mandril de acoplamento via um eixo de acionamento e o mandril de acoplamento é acoplado ao dispositivo controlado (p. ex., unidade de desvio). Variando-se a relação da velocidade rotativa do motor PC, em comparação com a velocidade rotacional da coluna de perfuração, a orientação da face da ferramenta (isto é, orientação de uma ferramenta de perfuração acoplada ao dispositivo controlado) ou velocidade rotacional não-zero (em uma ou outra direção) do dispositivo controlado pode ser variada de uma maneira controlada. Uma unidade de válvula de controle de fluxo de lama eletronicamente controlada é usada para medir o fluxo do fluido de perfuração através do motor PC, que controla a velocidade do rotor. Em formas de realização preferidas, a unidade de válvula de controle de fluxo de lama compreende luvas deslizantes afiladas complementares, que podem ser posicionadas com respeito entre si para medir o fluxo de fluido de perfuração através do motor PC e para dentro da coroa circular de furo de poço. A seção de controle eletrônica e o motor de controle são usados para controlar a velocidade de fluxo do fluido de perfuração através da unidade de válvula e para perceber a orientação e direção da ferramenta (p. ex., broca), assim facilitando o retomo de um furo de poço desviado para a vertical ou o retomo de um furo de poço para um trajeto pretendido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00017] Formas de realização da invenção serão agora descritas com referência às figuras acompanhantes, em que referências numéricas indicam partes semelhantes e em que:

A Fig. 1 é um seção transversal longitudinal através de uma unidade de furo de fundo, incorporando um aparelho de controle da

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9/19 velocidade rotacional de acordo com uma primeira forma de realização da presente invenção;

A Fig. 2 é um detalhe em seção transversal da unidade de válvula de controle de fluxo de lama do aparelho de controle da velocidade rotacional da Fig. 1, com a válvula de controle de fluxo de lama na posição fechada;

A Fig. 3 é um detalha de seção transversal da unidade de válvula de controle de fluxo de lama do aparelho de controle da velocidade rotacional da Fig. 1, com a válvula de controle de fluxo de lama em uma posição aberta;

A Fig. 4 é uma seção transversal longitudinal da unidade de furo de fundo da Fig. 1, esquematicamente ilustrando os trajetos de fluxo do fluido de perfuração circulando através da unidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS [00018] As Figuras ilustram um sistema de controle rotacional 50, de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção, instalado dentro de um alojamento de ferramenta cilíndrica convencional 10, em conjunto com uma unidade de desvio 100. A extremidade superior 12 do alojamento de ferramenta 10 é adaptada para conexão com a extremidade inferior de uma coluna de perfuração (não mostrada) e é aberta para permitir o fluxo da lama de perfuração da coluna de perfuração para dentro do alojamento de ferramenta 10, como conceitualmente indicado pelas setas M na Fig. 1. A extremidade inferior 110 da unidade de desvio 100 é adaptada para conexão com uma ferramenta de perfuração, tal como uma broca (não mostrado).

[00019] Como ilustrado na Fig. 1, o sistema de controle da velocidade rotacional 50 compreende um motor de cavidade progressiva (PC) de tipo conhecido, um eixo de acionamento superior 240, disposto dentro de um

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10/19 alojamento de eixo de acionamento 242, tendo um furo de eixo de acionamento 244, uma unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 e uma unidade de controle de motor (ou seção de eletrônica) 400. Na forma de realização ilustrada, a energia elétrica requerida para o aparelho de controle da velocidade rotacional 50 é provida por um pacote de baterias 500, fixado à extremidade superior da seção de eletrônica 400. A disposição do sistema de controle da velocidade rotacional 50 dentro do alojamento de ferramenta 10 cria uma coroa circular longitudinalmente contínua 20, circundando o motor PC 200, o alojamento de eixo de acionamento 242, unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300, seção de eletrônica 400 e pacote de baterias 500, de modo que a lama de perfuração possa ser bombeada para baixo através da coroa circular interna 20.

[00020] De acordo com tecnologia bem conhecida, o motor PC 200 tem um rotor alongado 210 disposto dentro do furo central 201 de um estator alongado 220, com a extremidade superior do rotor 210 sendo conectada ao eixo de acionamento superior 240 e com a extremidade inferior do rotor 210 sendo conectada a um eixo de acionamento inferior 230. O rotor 210 é radial e excentricamente suportado dentro do estator 220 e o estator 220 é radial e axialmente suportado dentro do alojamento de ferramenta 10. O rotor 210 é conectado à extremidade superior 120 da unidade de desvio 100, via eixo de acionamento inferior, permitindo que a unidade de desvio 100 seja rotacionalmente acionada pelo rotor 210. Na forma de realização ilustrada, o motor PC 200 é configurado de modo que o rotor 210 gire no sentido do relógio (como visto por cima), em resposta a um fluxo descendente da lama de perfuração através do furo central 201.

[00021] Um alojamento de motor provido de porta inferior 250, tendo um ou mais orifícios de entrada 251 (dimensionados e posicionados para satisfazer às exigências específicas), é fixado à extremidade inferior do estator 220 e permite que o eixo de acionamento inferior 230 passe através para

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11/19 encaixe operativo com a unidade de desvio 100. Em virtude dos orifícios de entrada 251, o furo central 201 do estator 220 fica em comunicação fluida com a coroa circular interna 20 do alojamento de ferramenta 10, de modo que um fluxo de lama de perfuração através da coroa circular interna 20 pode ser parcialmente desviado para dentro e para cima dentro do furo central 201, desse modo girando o rotor 210 no sentido contrário ao de um relógio (como visto por cima).

[00022] O eixo de acionamento superior 240 converte a rotação excêntrica do rotor 210 dentro do motor PC 200 para rotação concêntrica da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300. A unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 inclui uma luva inferior 310, uma luva superior 320, pelo menos uma luva de orifício de saída 330 estendendo-se genérica e radialmente através da parede do alojamento de ferramenta 10, um alojamento de válvula interno 340 e um alojamento de válvula externa 350, com o alojamento de válvula externa 350 sendo conectado a ou formado na extremidade superior do alojamento de eixo de acionamento 242. A luva superior 320 é selantemente fixada ao alojamento de válvula interno 340, enquanto a luva inferior 310 não é movivelmente presa ao alojamento de válvula externo 350. A luva superior 320 é axialmente móvel em relação à luva inferior 310 por meio de um motor de controle 360, fazendo parte da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 e controlada pela seção de eletrônica 400.

[00023] Como melhor entendido pelas Figs. 2 e 3, a luva inferior 310 e luva superior 320 são de configuração complementar, de modo que a luva superior 320 seja móvel entre uma posição fechada, em que pelo menos uma parte da superfície externa 322 da luva superior 320 está em contato perimétrico selante com pelo menos uma parte da superfície interna 312 da luva inferior 310 e uma posição aberta que cria um vão 370 entre a superfície interna 312 da luva inferior 310 e da superfície externa 322 da luva superior

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320, por sua vez criando uma passagem de fluxo 375 através da qual a lama de perfuração fluindo para cima dentro do furo do eixo de acionamento 244 passa através da passagem de fluxo 375 e deixa a luva através da luva de orifício de saída 330. A velocidade de fluxo da lama de perfuração através da passagem 375 será governada pela largura do vão 370, que é por sua vez governado pela posição da luva superior 320 em relação à luva inferior 310. Em formas de realização preferidas, a posição da luva superior 320 em relação à luxa inferior 310 pode ser ajustada incrementalmente, assim variando a largura do vão 370 e a velocidade de fluxo da lama de perfuração. Por conseguinte, uma referência aqui à unidade de válvula estando em uma posição aberta não é para ser entendida ou interpretada como referindo-se a qualquer ajuste específico ou como sendo correlacionada com qualquer posição específica da luva superior 320 em relação à luva inferior 310.

[00024] Nas formas de realização preferidas, a superfície interna 312 da luva inferior 310 e a superfície externa da luva superior 320 são na forma de superfícies afiladas de união (especificamente superfícies troncocônicas nas formas de realização ilustradas). Entretanto, pessoas de habilidade comum na técnica prontamente observarão que a luva inferior 3120 e a luva superior 320 poderíam ser providas em outras configurações geométricas (incluindo, sem limitação, luvas não-cilíndricas e não-afiladas) sem desvio do escopo e funcionalidade básica da presente invenção.

[00025] Em uma forma de realização particularmente adequada para perfurar furos de poço direcionais, a seção de eletrônica 400 compreende uma unidade de controle eletrônico computacional 420 e uma unidade sensora 430, disposta dentro de um alojamento eletrônico 410. A unidade de controle eletrônico computacional 420 inclui um microprocessador e memória associada, para receber e processar dados obtidos pela unidade sensora 430, como será descrito. A unidade sensora 430 compreende um ou mais sensores de inclinação e/ou um ou mais sensores azimute (tipos adequados desses

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13/19 dispositivos sendo conhecidos na técnica). A seção de eletrônica 400, com a informação reunida pela unidade sensora 430, opera o motor de controle 360 para regular ou parar o fluxo do fluido de perfuração através do motor PC 200 e em consequência através do furo de eixo de acionamento 244 e passagem de fluxo 375, como pode ser requerido para produzir mudanças desejadas na velocidade rotacional da unidade de desvio 100, para manter ou corrigir o trajeto de um furo de poço direcional.

[00026] Uma forma de realização alternativa, particularmente adequada para perfurar furos de poço verticais é largamente similar à forma de realização descrita acima para perfurar furos de poço direcionais, com exceção que a unidade sensora 430 pode mas não necessariamente compreenderá um ou mais sensores de inclinação e/ou um ou mais sensores de azimute. O sistema funciona de outro modo em um modo substancialmente análogo para produzir as mudanças desejadas na taxa rotacional da unidade de desvio 100, para manter ou retomar o trajeto de furo de poço para a vertical.

[00027] A operação prática do aparelho da presente invenção pode ser prontamente entendida com referência às descrições precedentes e às Figuras (particularmente Fig. 4, em que as setas M indicam fluxos de lama de perfuração). Durante as operações de perfuração de poço, a lama de perfuração é bombeada da superfície do solo através da unidade de tubo de perfuração e escoa para o furo abaixo através da coroa circular interna 20 do alojamento de ferramenta 10. Quando a lama de perfuração aproxima-se do motor PC 200 (e como pode ser particularmente bem entendido com referência à Fig. 4), parte da lama de perfuração será desviada para dentro do furo central 201 do estator 220 através dos orifícios de entrada 251 do alojamento de motor 250 (desde que a passagem de fluxo 375 dentro da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 seja aberta, para permitir que a lama saia pelo furo central 201), com a parte não desviada da lama de perfuração continuando para o furo abaixo através da coroa circular interna

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20, em direção e para dentro da unidade de desvio 100. Mais especificamente, uma queda de pressão criada na ou embaixo da unidade de desvio 100 redireciona o fluxo de lama de perfuração e resulta em aproximadamente entre 1% e 10% da lama de perfuração usada pela ferramenta sendo desviada para dentro e para cima através do furo central 201 do motor de PC 200. A lama de perfuração circulando para cima através do motor PC 200 leva para cima através do feixe de eixo de acionamento 244, passa através da passagem de fluxo 375 da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 e sai através da luva de orifício de saída 330 para dentro da coroa circular de furo de poço 620, entre o revestimento de ferramenta 10 e o furo de poço WB sendo perfurado.

[00028] O rotor 210 do motor PC 200 é energizado pela lama de perfuração fluindo furo acima dentro do furo central 201, que flui em uma mais elevada temperatura do que a lama de perfuração da coroa circular de furo de poço, devido à queda de pressão causada pelas restrições de furo abaixo, tais como bicos de broca, e a lama flui pela unidade de válvula de controle 300. O efeito da lama de perfuração fluindo através do motor 200 em uma direção furo acima é criar uma rotação do rotor contrária ao movimento de um relógio 210 (quando visto por cima). Nas aplicações de motor de furo abaixo típicas, a rotação da coluna de perfuração para fins de perfuração é no sentido de um relógio. Similarmente, em operações de perfuração utilizando aparelho de acordo com a presente invenção, o alojamento de ferramenta 10 gira com a coluna de perfuração em uma direção do sentido de um relógio, que é oposta à rotação do rotor 210. A rotação contrária ao sentido de um relógio do rotor 210 é transferida para o eixo de acionamento inferior 230 e a unidade de desvio 100, e resulta em uma rotação contrária ao sentido de um relógio, suprida à extremidade superior do dispositivo de controle de motor 100, relativa à coluna de perfuração.

[00029] A unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 é

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15/19 localizada furo acima a partir do motor de PC 200, de modo que a lama de perfuração deixando o motor PC 200 penetra dentro da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300. A unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 é acionada pelo motor de controle 360, em resposta às entradas de controle da seção de eletrônica 400, para controlar a velocidade de fluxo da lama de perfuração através do motor PC, como necessário para girar o rotor 210 em uma velocidade operacionalmente apropriada.

[00030] O alojamento de eletrônicos 410 gira na mesma velocidade que o rotor 210 do motor PC 200, devido à conexão do rotor 210 e alojamento eletrônico 410, via eixo de acionamento superior 240 e unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300. Em razão da rotação contrária ao sentido de um relógio do alojamento de ferramenta 10 e a rotatibilidade no sentido contrário de um relógio do alojamento de eletrônicos 410, a unidade sensora 430 pode ser mantida próximo a geo-estacionária, de modo que ela não gira em uma velocidade significativa ou é mantida em uma velocidade rotacional controlada não-zero, relativa ao alojamento de ferramenta 10. A capacidade de manter a unidade sensora 430 próximo a geo-estacionária ou em uma velocidade rotacional controlada não-zero é controlada pela operação da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300. Quando o alojamento de ferramenta 10 gira com o resto da coluna de perfuração, a luva superior 320 é ajustada em resposta a entradas da unidade sensora 430, para medir o fluxo de lama de perfuração para cima através do motor PC, desse modo controlando a velocidade rotacional do rotor 210 e alojamento eletrônico 410, com respeito ao alojamento de ferramenta 10, a fim de manter a unidade sensora 430 tão próxima a geo-estacionária quanto possível ou girar em uma velocidade rotacional controlada não-zero desejada. A velocidade rotacional de 430 é medida pelos sensores dentro da seção de eletrônica 400 e a velocidade de rotação do alojamento eletrônico 410 é controlada com respeito ao alojamento de ferramenta 10, controlando a velocidade rotacional do rotor 210 até a

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16/19 unidade sensora 430 é geo-estacionária ou rotativa em uma desejada velocidade rotacional controlada não-zero.

[00031] A unidade sensora 430 pode compreender um grau inercial, acelerômetro de três eixos geométricos de um tipo comumente usado em operações de “medição enquanto perfurando” (ou “MWD”) e funciona para determinar a direção, orientação angular e velocidade para controlar a unidade de desvio 100. Em formas de realização alternativas, a unidade sensora 430 pode compreender dois ou três acelerômetros de único eixo-geométrico. A unidade sensora 430 pode também compreender um ou mais de qualquer um ou mais do seguinte: sensores azimute de grau inercial, sensores de velocidade rotacional, sensores de temperatura, sensores de pressão, sensores de radiação gama e outros sensores que seriam familiares às pessoas hábeis na técnica.

[00032] A unidade sensora 430, em cooperação com outros componentes da seção de eletrônica 400, ajuda a controlar a orientação e/ou a velocidade rotacional da unidade de desvio 100 sentido e determinando a posição e velocidade rotacional, relativa à terra, da unidade sensora 430, que é acoplada à unidade de desvio 100. Quando a luva superior 320 da unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 está em uma posição aberta, assim permitindo que o fluido escoe através do motor PC 200, a seção de eletrônica 400, luva superior 320, válvula interna 340, motor de controle 360 e rotor 210 do motor PC 200, todos giram no sentido contrário de um relógio em relação ao alojamento de ferramenta 10. A unidade sensora 430 faz leituras para determinar a velocidade rotacional da unidade sensora 430 com respeito ao eixo-geométrico de furo de poço imediato. A velocidade rotacional sentida pela unidade sensora 430 é transportada para o motor de controle 360, que correspondentemente ajusta a posição axial da luva superior 320, para mudar a velocidade do motor PC 200, como apropriado (p. ex., de modo que a ferramenta de perfuração fique estacionária e orientada em uma direção

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17/19 desejada, ou de modo que a ferramenta fique girando em uma velocidade rotacional controlada não-zero desejada).

[00033] Em uma forma de realização, a velocidade rotacional desejada é zero ou geo-estacionária e os acelerômetros e/ou magnetômetros dentro da unidade sensora 430 e unidade eletrônica 400 controlam o motor de controle 360 para orientar a unidade sensora 430 (que é acoplada à unidade de desvio 100) a uma orientação desejada com respeito ao campo gravitacional da terra e/ou o campo magnético da terra. A unidade sensora 430 periodicamente sente a orientação da ferramenta com respeito à Terra, para assegurar que a ferramenta seja posicionada na direção desejada e/ou gire na velocidade rotacional desejada e corrija quaisquer desvios. Quando a unidade sensora 430 percebe que o ajustamento é necessário, a velocidade rotacional do rotor 210 do motor PC 200 é mudada movendo-se a luva superior 320, assim controlando as velocidades rotacionais relativas do rotor 210 do motor PC 200 e alojamento eletrônico 410, como apropriado para obter-se uma desejada orientação da ferramenta. Uma vez a ferramenta seja posicionada como desejado, a velocidade rotacional do rotor 210 do motor PC 200 é controlada de modo que a seção de eletrônica 400 e unidade sensora 430 permaneçam geo-estacionárias.

[00034] Embora as formas de realização preferidas tenham sido mostradas e descritas aqui, modificações delas podem ser feitas por uma pessoa hábil na técnica sem desvio do escopo e ensinamentos da presente invenção, incluindo modificações que podem utilizar estruturas ou materiais equivalentes a seguir concebidos ou desenvolvidos. As formas de realização ilustradas são somente exemplares e não são limitantes. Deve ser especialmente entendido que a substituição de uma variante de um elemento ou aspecto reivindicado, sem qualquer mudança resultante substancial no trabalho da invenção, não constituirá um desvio do escopo da invenção. Deve também ser totalmente apreciado que os diferentes ensinamentos das formas

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18/19 de realização descritas e discutidas aqui podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir os resultados desejados.

[00035] Deve ser observado em particular que as Figuras representam um motor PC 200 normalmente rotativo no sentido de um relógio, configurado dentro do sistema de controle da velocidade rotacional 50, de modo que a saída rotacional para a unidade de desvio 100 é contrária ao sentido de um relógio, com a unidade de válvula de controle de fluxo de lama 300 posicionada acima do eixo de acionamento 240 e motor PC 200. Entretanto, pessoas hábeis na técnica apreciarão pelos presentes ensinamentos que os vários componentes do sistema de controle da velocidade rotacional 50 podem ser prontamente adaptados e dispostos em configurações alternativas para prover diferentes características operacionais (por exemplo, fluxo de lama descendente através do motor PC 200, para produzir rotação do rotor 210 contrária ao sentido de um relógio) sem desvio dos princípios e escopo da presente invenção.

[00036] As pessoas hábeis na técnica também apreciarão que formas de realização alternativas do aparelho da invenção poderíam incorporar tipos conhecidos de válvulas, adaptadas como apropriado, em lugar de uma unidade de válvula de fluxo de lama de duas-luvas, do tipo ilustrado nas Figuras. Para prover exemplos não-limitantes específicos, tipos conhecidos de válvula de esfera, válvula de corrediça, válvula globo, válvula de tampão, válvula de agulha, válvula de diafragma e/ou válvula borboleta poderíam ser adaptados para uso em lugar de uma unidade de válvula de dupla luva, sem desvio do escopo da presente invenção.

[00037] Neste documento de patente, a palavra “compreendendo” é usada em seu sentido não limitante para significar que os itens seguindo àquela palavra são incluídos, porém os itens não especificamente mencionados não são excluídos. Uma referência a um elemento pelo artigo

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19/19 indefinido “a” não exclui a possibilidade de que mais do que um dos elementos estão presentes, a menos que o contexto claramente requeira que haja um e somente um tal elemento. Qualquer uso de qualquer forma dos termos “conectar”, “encaixar”, “acoplar”, “fixar” ou qualquer outro termo descrevendo uma interação entre elementos não são destinadas a limitar a interação para direcionar a interação entre os elementos e pode também incluir interação indireta entre os elementos descritos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho para perfurar, compreendendo:

um motor de cavidade progressiva (200) rotacionalmente conectável a um dispositivo controlado (100);

uma unidade de válvula de controle de fluxo (300), rotacionalmente acoplada ao motor de cavidade progressiva e adaptada para medir o fluxo de um fluido de perfuração através do motor de cavidade progressiva;

caracterizado por compreender um motor de controle (360) adaptado para controlar a unidade de válvula de controle de fluxo; e uma seção de eletrônica (400) adaptada para controlar o motor de controle.
2. Aparelho para perfurar de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o motor de cavidade progressiva ser acoplado à unidade de válvula de controle de fluxo por um eixo de acionamento (240).
3. Aparelho para perfurar de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a unidade de válvula de controle de fluxo compreender uma luva superior (320) e uma luva inferior (310), ditas luvas superior e inferior sendo deslizavelmente encaixáveis com as posições relativas de ditas luvas superior e inferior sendo ajustáveis entre uma posição aberta, em que o fluido deixando o motor de cavidade progressiva pode fluir entre as luvas superior e inferior, e uma posição fechada evitando que fluido flua entre as luvas superior e inferior.
4. Aparelho para perfurar de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de as luvas superior e inferior serem de uma configuração afilada complementar.
5. Aparelho para perfurar de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de as luvas superior e inferior serem de uma configuração troncocônica.
6. Aparelho para perfurar de acordo com a reivindicação 1,

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2/5 caracterizado pelo fato de a unidade de válvula de controle de fluxo compreender uma válvula selecionada do grupo consistindo de válvula de esfera, válvula de corrediça, válvula globo, válvula de tampão, válvula de agulha, válvula de diafragma e válvula borboleta.
7. Aparelho para perfurar de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de compreender ainda um ou mais orifícios de saída (330), por meio dos quais os fluidos entrando na unidade de válvula de controle de fluxo podem deixar a unidade de válvula de controle de fluxo.
8. Aparelho para perfurar de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender ainda um alojamento de ferramenta cilíndrico alongado (10), encerrando o motor de cavidade progressiva, a unidade de válvula de controle de fluxo, o motor de controle e a seção de eletrônica, e em que pelo menos um dentre um ou mais orifícios de saída estendem-se da unidade de válvula de controle de fluxo através de uma parede do alojamento de ferramenta.
9. Aparelho para perfurar de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de a seção de eletrônica compreender um ou mais sensores selecionados do grupo consistindo de acelerômetros, sensores de inclinação, sensores de azimute, sensores de velocidade rotacional e sensores de pressão.
10. Aparelho para controlar a velocidade rotacional de uma ferramenta de perfuração, caracterizado por compreender:

um alojamento de ferramenta cilíndrico alongado (10);

um motor de cavidade progressiva (200) compreendendo um alojamento de motor de cavidade progressiva (250), um estator (220) definindo um furo central (201), e um rotor (210) disposto dentro do estator, dito rotor tendo uma extremidade superior e uma extremidade inferior;

um eixo de acionamento (240) tendo uma extremidade superior e uma extremidade inferior, dita extremidade inferior do eixo de acionamento sendo operavelmente conectada à extremidade superior do rotor, dito eixo de

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3/5 acionamento sendo disposto dentro de um alojamento de eixo de acionamento definindo um furo de eixo de acionamento;

uma unidade de válvula de controle de fluxo (300) tendo uma extremidade superior e uma extremidade inferior, dita extremidade inferior da unidade de válvula de controle de fluxo sendo operavalmente conectada à extremidade superior do eixo de acionamento;

um motor de controle (360), adaptado para acionar a unidade de válvula de controle de fluxo; e uma seção de eletrônica (400) compreendendo uma seção de controle eletrônico (420) e uma unidade sensora (430), dita seção de eletrônica sendo operavelmente conectada à unidade de válvula de controle de fluxo;

em que:

o motor de cavidade progressiva, o eixo de acionamento, a unidade de válvula de controle de fluxo, o motor de controle e a seção de eletrônica são dispostos dentro do alojamento de ferramenta como uma unidade, formando uma coroa circular de alojamento de ferramenta (20) entre a unidade e uma parede de alojamento de ferramenta;

um ou mais orifícios de entrada (251) são providos em uma região inferior do alojamento de motor de cavidade progressiva, de modo que o furo central do estator fica em comunicação fluida com a coroa circular do alojamento de ferramenta;

a unidade de válvula de controle de fluxo compreende um ou mais orifícios de saída (330), estendendo-se através da parede do alojamento de ferramenta; e, a unidade de válvula de controle de fluxo é operável entre uma posição aberta, em que o um ou mais orifícios de saída estão em comunicação fluida com o furo central do estator via o furo de eixo de acionamento e uma posição fechada, em que o fluxo de fluido do furo central do estator para os orifícios de saída é evitado.

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11. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a unidade de válvula de controle de fluxo compreender uma luva superior (320) e uma luva inferior (310), ditas luvas superior e inferior sendo deslizantemente encaixáveis, de modo que o fluido saindo pelo motor de cavidade progressiva pode fluir entre as luvas superior e inferior, quando a unidade de válvula de controle de fluxo está em uma posição aberta.
12. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de as luvas superior e inferior serem de uma configuração complementarmente afilada.
13. Aparelho de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de as luvas superior e inferior serem de uma configuração troncocônica.
14. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de a seção de eletrônica compreender um ou mais dispositivos sensores, selecionados do grupo consistindo de acelerômetros, sensores de inclinação, sensores de azimute, sensores de velocidade rotacional e sensores de pressão.
15. Método para perfurar, caracterizado por compreender as etapas de:

operar um motor de cavidade progressiva (200) tendo um rotor (210) rotacionalmente acoplado a um dispositivo controlado (100);

medir o fluxo de um fluido de perfuração através do motor de cavidade progressiva com uma válvula de controle de fluxo (300) para controlar a velocidade rotacional de dito rotor do motor de cavidade progressiva, dita válvula de controle de fluxo sendo acionada por um motor de controle (360) acoplado à válvula de controle de fluxo; e controlar o motor de controle usando um sistema de controle de motor (400).
16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o sistema de controle de motor compreender uma unidade sensora (430) e

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5/5 em que o motor de controle é acionado em resposta a entradas de controle da unidade sensora.
17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de a unidade sensora compreender um ou mais dispositivos sensores, selecionados do grupo consistindo de acelerômetros, sensores de inclinação, sensores de azimute, sensores de velocidade rotacional e sensores de pressão.
18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 17, caracterizado pelo fato de a válvula de controle de fluxo compreender uma luva superior (320) e uma luva inferior (310), ditas luvas superior e inferior sendo deslizavelmente encaixáveis com as posições relativas de ditas luvas superior e inferior sendo ajustáveis entre uma posição aberta, em que o fluido deixando o motor de cavidade progressiva pode fluir entre as luvas superior e inferior, e uma posição fechada evitando fluxo de fluido entre as luvas superior e inferior.
19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de as luvas superior e inferior serem de uma configuração complementarmente afilada.
20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de as luvas superior e inferior serem de configuração troncocônica.
21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 17, caracterizado pelo fato de a válvula de controle de fluxo compreender uma válvula selecionada do grupo consistindo de válvula de esfera, válvula de corrediça, válvula globo, válvula de tampão, válvula de agulha, válvula de diafragma e válvula borboleta.