BRPI0913218B1

BRPI0913218B1 - Conjunto de ferramenta de perfuração, método para perfurar um furo de poço usando um conjunto de ferramenta de perfuração, método para aliviar vibrações de um conjunto de ferramenta de perfuração e método para projetar um conjunto de ferramenta de perfuração

Info

Publication number: BRPI0913218B1
Application number: BRPI0913218-0A
Authority: BR
Inventors: Mehmet Deniz Ertas; Shankar Sundararaman; Jeffrey R. Bailey; Vishwas Gupta; Narasimha-Rao V. Bangaru; Erika A. O. Biediger
Original assignee: Exxonmobil Upstream Research Company
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2020-02-18
Also published as: CA2724453C; EA018946B1; EA201170037A1; US20110077924A1; EP2291792A4; EP2291792A1; CA2724453A1; EP2291792B1; US8589136B2; WO2009155062A1; AU2009260477B2; BRPI0913218A2; AU2009260477A1

Abstract

conjunto de ferramenta de perfuração métodos e sistemas para reduzir vibrações incluem geração de um índice de desempenho de vibração utilizando pelo menos um modelo de domínio de frequência que tem uma relação de atrito dependente de velocidade. o índice de desempenho de vibração pode ser utilizado para auxiliar no projeto ou fabricação de um conjunto de ferramenta de perfuração. adicionalmente ou alternativamente, o índice de desempenho de vibração pode informar operações de perfuração para reduzir vibrações.

Description

“CONJUNTO DE FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO, MÉTODO PARA PERFURAR UM FURO DE POÇO USANDO UM CONJUNTO DE FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO, MÉTODO PARA ALIVIAR VIBRAÇÕES DE UM CONJUNTO DE FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO E MÉTODO PARA PROJETAR UM CONJUNTO DE FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO”

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS [0001] Este Pedido reivindica o benefício dos Pedidos Provisórios US de números 61/132.255 depositado em 17 de junho de 2008 e 61/174.531 depositado em 1 de maio de 2009, que são aqui com isto incorporados para referência em sua totalidade para todas as finalidades.

CAMPO [0002] A presente divulgação é relativa, genericamente, à área de aliviar vibrações de perfuração para melhorar a velocidade de penetração durante uma operação de perfuração e/ou estender a vida útil dos componentes do conjunto de ferramenta de perfuração. Mais particularmente a presente divulgação é relativa a métodos e sistemas para aumentar desempenho global de perfuração aliviando disfunção de vibração associada com vibrações de torção ou axiais do conjunto de ferramenta de perfuração.

FUNDAMENTOS [0003] Esta seção tem intenção de introduzir o leitor nos diversos aspectos da técnica que podem estar associados com modalidades da presente invenção. Acredita-se que esta discussão seja útil em fornecer ao leitor informação para facilitar um melhor entendimento de técnicas particulares da presente invenção. Consequentemente, deveria ser entendido que estas descrições devem ser lidas com a esta luz e não necessariamente como admissões da técnica precedente.

[0004] A vibração de um conjunto de ferramenta de perfuração é um dos limitadores primários de velocidade de penetração (ROP) encontrados durante operações de perfuração. Conjuntos de ferramenta de perfuração vibram durante perfuração por uma variedade de razões, cada uma das quais pode ser dito estar relacionada a um parâmetro de perfuração. Por exemplo, a velocidade de rotação

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 5/102

2/88 pesa sobre a broca, viscosidade da lama, etc., cada um pode afetar a tendência à vibração de um dado conjunto de ferramenta de vibração durante uma operação de perfuração. Adicionalmente ou alternativamente, a configuração do conjunto de ferramenta de perfuração pode influenciar a tendência à vibração de uma operação de perfuração. Outros fatores além do controle dos operadores, tal como a condição da formação, também podem influenciar a tendência à vibração de um conjunto de ferramenta de perfuração. Como aqui utilizado, parâmetros de perfuração incluem características e/ou aspectos de ambos, do hardware de perfuração (por exemplo, conjunto de ferramenta de perfuração) e as operações de perfuração.

[0005] O projeto particular do conjunto de ferramenta de perfuração em termos da escolha dos componentes do conjunto de ferramenta de perfuração e de sua colocação relativa em relação de um com o outro, é conhecido ter um impacto significativo nas vibrações encontradas durante perfuração. Como aqui utilizado, conjunto de ferramenta de perfuração se refere a conjuntos de componentes utilizados em operações de perfuração. Componentes tomados como exemplo, que podem de maneira coletiva ou individual ser considerados um conjunto de ferramenta de perfuração incluem dispositivos para corte de rocha, brocas, conjuntos de fundo de furo, colares de perfuração, tubos de perfuração, colunas de perfuração, acoplamentos, estabilizadores, etc. Esforços convencionais para determinar o desempenho relacionado à vibração de uma configuração particular de conjunto de ferramenta de perfuração sob condições específicas realísticas de uma operação de perfuração requereram desenvolver o projeto ou recorrer a modelos sofisticados e computacionalmente intensivos que requerem uma grande quantidade de tempo e poder de computação, e informação de entrada detalhada que usualmente não está disponível. Desenvolvimento de projetos pobres quanto a vibração pode resultar em perda de ROP, vida encurtada do conjunto de ferramenta de perfuração, número aumentado de viagens requeridas, taxa de falha aumentada de ferramentas de fundo de poço, e tempo não produtivo aumentado. O custo de falhas pode variar desde algumas centenas de milhares de dólares até diversos milhões de dólares, dependendo se uma viagem redonda do conjunto de ferramenta de perfuração é

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 6/102

3/88 requerida ou se existe uma necessidade de pescar componentes enjambrados no furo. Assim, é desejável dotar o engenheiro de perfuração com uma ferramenta que utilize dados facilmente disponíveis, que possam analisar rapidamente as tendências de vibração de um ou mais projetos considerados de conjunto de ferramenta de perfuração .

[0006] Como descrito acima, parâmetros de perfuração que podem afetar vibrações de perfuração incluem condições operacionais de perfuração. Faixas e restrições e em condições operacionais de perfuração variam de uma corrida de broca para a próxima, de modo que existe uma necessidade de estudar os efeitos destas mudanças no desempenho de vibração em um modelo fácil de utilizar. Diversos modos de vibração podem afetar o desempenho de perfuração; esforços para estudar cada um destes modos devem ser colocados e analisados em uma maneira tratável. Uma abordagem para aliviar vibrações de perfuração lateral foi apresentada na Publicação de Patente Internacional pendente número WO 2008/097303, que é aqui com isto incorporada para referência em sua totalidade para todas as finalidades. Este Pedido apresentou métodos para analisar ou avaliar projetos alternativos de conjuntos de fundo de furo para determinar a resposta dos sistemas BHA alternativos sob condições de carregamento identificas. Mais especificamente, a WO 2008/097303 divulga ferramentas para avaliar a tendência de vibração lateral (redemoinho, giro rápido) dos projetos BHA através da utilização de, pelo menos, um índice de vibração. Os modelos utilizados pelas ferramentas são baseados na resposta harmônica forçada do BHA a excitações na broca, acionadas pela velocidade de rotação RPM da BHA e seus harmônicos. Embora estas ferramentas e modelos associados sejam efetivas na modelagem e estudo de vibrações de redemoinho, elas somente analisam vibrações laterais na BHA. Outros modos de vibração tal como vibrações axiais e de torção, são influenciadas pela coluna de perfuração em adição ao BHA. Devido à complexidade maior de todo o conjunto de ferramenta de perfuração (por exemplo, a coluna de perfuração e o BHA), e a natureza das interações entre o conjunto de ferramenta de perfuração e o furo de poço, existe uma necessidade para desenvolver ferramentas, modelos

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 7/102

4/88 adequados, e índices de vibração para vibrações axiais e de torção encontradas por um conjunto de ferramenta de perfuração durante operação.

[0007] Tipicamente, disfunção de vibração axial severa pode ser manifestada como “salto da broca” que resulta em um afrouxamento ou mesmo uma perda completa de contato entre a formação de rocha e a superfície de corte da broca de perfuração através de parte do ciclo de vibração. Vibração axial disfuncional pode ocorrer em outras localizações no conjunto de ferramenta de perfuração. Outros elementos de corte no conjunto de ferramenta de perfuração também poderíam experimentar um efeito similar. Pequenas oscilações no peso sobre a broca (WOB) podem resultar em deficiências de perfuração conduzindo a ROP diminuída. Assim, existe uma necessidade para minimizar a resposta do conjunto de ferramenta de perfuração a excitações axiais.

[0008] A disfunção primária de torção é chamada “deslizamento aderente” e está associada de maneira primária com instabilidade na velocidade de rotação da broca de perfuração ao redor de seu valor nominal. Outros tipos de disfunções de torção existem, incluindo grandes oscilações forçadas que poderíam provocar flutuações na RPM.

[0009] Diversos esforços foram feitos para estudar e/ou modelar estas e outras vibrações mais complexas de torção e axiais, algumas das quais são discutidas aqui para ajudar a ilustrar os avanços feitos pelas tecnologias da presente divulgação. Por exemplo, “Drill string Vibrations due to intermittent contact of bit teeth”, P.R. Paslay, 1962, Transactions of the ASME, Paper No.62-Pet-13, apresenta trabalho precedente na área de vibrações axiais e de torção. Este documento apresenta uma solução analítica para o problema de vibração axial. O modelo considera todo o conjunto de ferramenta de perfuração (desde a broca até o “kelly” (conjunto de ligação). A condição limite no “Kelly” é tratada como uma condição fixa. O conjunto de ferramenta de perfuração é quebrado em duas seções: colares de perfuração e tubo de perfuração. Uma excitação de deslocamento axial é especificada na broca. Resposta de frequência forçada é utilizada para determinar a força axial harmônica em estado constante que é gerada na broca devido à excitação de deslocamento

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 8/102

5/88 especificada. As frequências naturais do sistema são calculadas de maneira analítica.

[0010] Outro trabalho precedente incluiu “Longitudinal and angular drill-string vibrations with damping”, D.W. Dareing, Petroleum Mechanical Engineering and First Pressure Vessel and Piping Conference, Dallas, Texas, 22-25 setembro, 1968. Os autores apresentaram um modelo matemático para estudar vibração axial e de torção de conjuntos de ferramenta de perfuração. Todo o conjunto de ferramenta de perfuração é modelado utilizando equações de onda baseadas em teoria de barra. Uma mola e massa são utilizadas para modelar o equipamento de superfície. As equações são solucionadas de maneira analítica e o modelo permite mudanças em diâmetros de tubo.

[0011] O projeto DEA 29 foi um programa de diversos parceiros iniciado para desenvolver ferramentas de modelagem para analisar vibrações de conjunto de ferramenta de perfuração. No trabalho de pesquisa uma matriz transferência foi utilizada para solucionar as condições de superfície para um dado deslocamento inicial ou força inicial na broca. O modelo do conjunto de ferramenta de perfuração era composto de elementos tubulares. O programa focalizou no desenvolvimento de um modelo massa mola amortecedor baseado em impedância, dependente de frequência, utilizando uma metodologia de função transferência para modelar vibrações axiais e de torção. Estas funções de transferência descrevem a relação do estado da superfície para a condição de entrada na broca. As condições limites para vibrações axiais consistiram de uma mola, um amortecedor no topo do conjunto de ferramenta de perfuração (para representar o equipamento) e uma excitação axial simples na broca (seja uma força ou deslocamento). Para vibrações de torção, a broca foi modelada como uma extremidade livre (nenhuma rigidez entre a broca e a rocha) com amortecimento. Os autores também comentaram o efeito de amortecimento e o incluíram no modelo na forma de uma constante selecionada para aproximar o efeito de amortecimento. Os relatórios do projeto DEA 29 divulgaram que o acoplamento entre flutuação de pressão de lama e vibração de tubo de perfuração não deveríam ser ignorados. Este trabalho também indicou que

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 9/102

6/88 fenômenos de fundo de poço tais como salto da broca e deslizamento aderente são observáveis a partir da superfície. Enquanto o projeto DEA 29 reconheceu que diversos fatores afetam desempenho de vibração, os resultados da pesquisa (isto é, modelos desenvolvidos através da pesquisa) representaram estes fatores simplesmente incluindo uma ou mais constantes no modelo. Por exemplo, o efeito de amortecimento de lama foi representado nos modelos por uma constante que aproxima o efeito em vibração. Resultados deste esforço foram publicados como “Coupled axial, bending and torsional vibration on rotating drill strings”, DEA Project 29, Phase III Report, J.K. Vandiver, Massachusetts Institute of Technology e “The effect of surface and downhole boundary conditions on the vibration on drill strings”, F. Clayer ET AL, SPE 20447, 1990.

[0012] Embora as abordagens de domínio de frequência que foram desenvolvidas tendam a ser tratáveis de maneira computacional, a conveniência deriva do enfoque quase singular sobre os fatores primários que afetam vibração tais como o peso sobre a broca e o comprimento da coluna de perfuração, e a utilização de constantes de aproximação para representar a multiplicidade de outros fatores que afetam a severidade e modo de vibração. Embora tais aproximações possam ser adequadas em poços simples ou em poços perfeitos, a aplicação de tais aproximações e modelos a poços do mundo real é limitada. Por exemplo, embora o impacto total de efeitos de amortecimento de poço ou furo de sondagem (“borehole”) e efeitos de amortecimento de lama em vibrações possa ser relativamente pequeno em relação ao peso sobre a broca aproximações pobre de seus efeitos podem conduzir a mudanças significativas em rendimentos de perfuração.

[0013] Além disto, o impacto destes efeitos de amortecimento é difícil de aproximar na transição de um modelo para um poço real, tomando a utilização de uma constante de aproximação adequada somente nas operações as mais limitadas de perfuração real. Considere por exemplo uma operação de perfuração que inclui desvios na trajetória do poço, tal como para fornecer um desvio ou curva ou perfuração direcional. Em poços verticais simples, o conjunto de ferramenta de perfuração tem pontos de contato da broca e no equipamento (isto é, efetivamente

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 10/102

7/88 nenhum efeito de amortecimento do furo de sondagem). Em trajetórias mais complexas ou em representações mais realistas de um furo de poço real, o conjunto de ferramenta de perfuração pode contatar o furo de poço em inúmeras localizações ao longo de seu comprimento; as localizações de contato e características podem variar com o tempo. Estes contatos adicionais e variados resultam em uma distribuição de forças adicionais exercidas no conjunto de ferramenta de perfuração ao longo do poço e com o tempo. O modelo que falha em incorporar os efeitos de amortecimento do furo de poço irá resultar em predições imprecisas de vibração conduzindo a projeto pobre de conjunto de ferramenta de perfuração e/ou operações de perfuração ineficientes.

[0014] Com o advento de sistemas de computador mais poderosos, diversas tentativas foram feitas para desenvolver modelos de larga escala no domínio de tempo de todos os conjuntos de ferramenta de perfuração em trajetórias de furo de poço complexas utilizando métodos de elementos finitos para solucionar interações complexas entre os diversos elementos do conjunto de ferramenta de perfuração, a broca de perfuração e a formação de rocha que está sendo perfurada. Tais métodos foram divulgados na SPE 52.821 e outras publicações, inclusive as Patentes US números 6.785.641 e 7.139.689. Embora poderosos, tais métodos requerem um nível de detalhe a respeito da condição e trajetória do furo de sondagem propriedades da rocha e desenho do fundo de furo, que são ainda muito difíceis e carros para obter, se de todo possível. Eles são também muito intensivos computacionalmente para permitir uma varredura rápida de diversos cenários de perfuração para diversos projetos de conjuntos de ferramenta de perfuração. Além disto, as saídas destes modelos são complexas e difíceis de interpretar.

[0015] Adicionalmente, “The Genesis of bit-induced torsional drillstring vibrations”, J.F. Brett, SPE 21943, 1992, descreve um modelo de vibração de torção no domínio de tempo que é descrito utilizando duas equações diferenciais acopladas. Uma equação descrevia o BHA rígido ligado à coluna de perfuração e a segunda equação descrevia a extremidade superior do conjunto de ferramenta de perfuração, ou o sistema de acionamento de superfície. O modelo foi então

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 11/102

8/88 solucionado utilizando um algoritmo de simulação Runge-Kutta. Curvas de atrito experimentais relacionando o torque na broca como uma função da RPM na broca foram obtidas para uma broca PDC afiada e uma rombuda. As observações experimentais sugeriram que o torque na broca (isto é, tendência a deslizamento aderente) era proporcional ao peso na broca para todas as velocidades de broca observadas. Estes modelos e métodos foram implementados no domínio de tempo, requerendo a intensidade computacional associada com eles.

[0016] Embora tecnologias relacionadas a modelagem de vibração axial e de torção tenham evoluído, estas tecnologias são ainda significativamente limitadas em virtude de suposições e condições utilizadas. Como visto na discussão acima, modelos no domínio de frequência desenvolvidos anteriormente falharam em levar em consideração relações complexas entre os diversos segmentos do conjunto de ferramenta de perfuração a parede de furo de poço. Além disto, métodos de domínio de tempo e baseados em elementos finitos sofrem de alta complexidade computacional e custo, tornando-os inadequados para utilização como uma ferramenta de análise rotineira para avaliar grandes números de cenários de perfuração em uma maneira eficiente. Além disto, os modelos de amortecimento utilizados nestes métodos no domínio de tempo e no domínio de frequência são inadequados, omitindo ou super-simplificando as interações de conjunto de ferramenta de perfuração/lama. Consequentemente, existe a necessidade por sistemas e métodos para aliviar vibrações do conjunto de ferramenta de perfuração que utilizem a conveniência e a eficiência computacional de modelos de domínio de frequência, porém também permitam consideração de condições de perfuração mais realistas tais como trajetórias complexas de furo de poço (com ou sem desvios), efeitos de amortecimento de lama, dependência de velocidade de forças de atrito, e condições limites complexas na superfície e extremidade da broca. Adicionalmente ou alternativamente, a necessidade existe por sistemas e métodos de avaliar dois ou mais projetos de configuração de conjunto de ferramenta de perfuração para um dado conjunto de condições operacionais, para determinar que projeto de configuração irá experimentar a mínima disfunção de vibração de torção e/ou axial.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 12/102

9/88

Adicionalmente ou alternativamente, a necessidade existe por sistemas e métodos para avaliar um dado projeto de configuração de conjunto de ferramenta de perfuração para determinar ou predizer condições operacionais prováveis em resultarem em vibração lateral axial e/ou de torção ou, alternativamente, resultar em minimizar vibração lateral, axial e/ou de torção.

[0017] Outro material relacionado pode ser encontrado pelo menos na Patente US número 5.313.829 e na Publicação de Patente US número US 2007/0289778. Além disto, informação adicional também pode ser encontrada em “Drillstring torsional vibrations: comparison between theory and experiment in a full scale research drilling rig”, G.W. Halsey et al, SPE 15564, 1986; A Study of Slip/Stick Motion at the Bit, A. Kyllingstad and G.W. Halsey, SPEDE, Dec. 1988, pp. 369-373; Drillsthng Stick-Slip Oscillations, R. Dawson et al, 1987 SEM Spring Conference, Houston, Jun 14-19, 1987; Detection and Monitoring of the Slip-Stick Motion: Field Experiments, M-P. Dufeyte and H. Henneuse, SPE/IADC 21945, 1991 ; A Study of Excitation Mechanisms and Resonances Inducing Bottomhole-Assembly Vibrations, A. Besaisow and M. Payne, SPE 15560, 1988; Cost Savings through an Integrated Approach to Drillstring Vibration Control, P.C. Kriesels, and W.J.G. Keultjes, SPE/IADC 57555, 1999; Suppressing Stick-slip-induced Drillstring Oscillations: A Hyperstability Approach, Van den Steen, L, 1997, PhD Thesis, University of Twente, The Netherlands; H-°° Control as Applied to Torsional Drillstring Dynamics, Serrarens, A.F.A., 1997, MSc Thesis, Eindhoven University of Technology, The Netherlands; On the Effective Control of Torsional Vibrations in Drilling Systems, Tucker, R.W., and Wang, C, 1999, Journal of Sound and Vibration; Application of Neural Networks for Predictive Control in Drilling Dynamics, D. Dashevshiy et al., SPE 56442, 1999; Development of a Surface Drillstring Vibration Measurement System, A.A. Besaisow, et al., SPE 14327, 1985; Torsional Resonance of Drill Collars with PDC Bits in Hard Rock, Warren, SPE 49204, 1998; Stick-slip Whirl Interaction in Drillstring Dynamics, R.l. Leine, et al, Journal of Vibration and Acoustics, Apr 2002, Vol. 124, pp. 209-220; Analysis of the Stick-slip Phenomenon Using Downhole Drillstring Rotation Data, Robnett, E.W., Hood, J.A., Heisig, G., and

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 13/102

10/88

Macpherson, J. D., SPE/IADC 52821 ; The Effects of Quasi-Random Drill Bit Vibrations Upon Drillstring Dynamic Behavior, Skaugen, E., 1987, SPE 16660; An Analytical Study of Drill String Vibrations, Li, C, 1987, SPE 15975; Mathematical Analysis of the Effect of a Shock Sub on the Longitudinal Vibrations of an Oilwell Drill String, Kreisle, L. F., and Vance, J. M., 1970, SPE 2778; Downhole Vibration Monitoring & Control System Quarterly Technical Report #2, Μ. E. Cobern, et al, 2003, DOE Award Number: DE- FC26-02NT41664, APS Technology Inc.; and Application of High Sampling Rate Downhole Measurements for Analysis and Cure of Stick-Slip in Drilling, D. R. Pavone and J. P. Desplans, 1994, SPE 28324 [0018] SUMÁRIO [0019] A presente divulgação fornece sistemas e métodos para aliviar vibrações de conjunto de ferramenta de perfuração que podem ocorrer durante operações de perfuração. Os métodos podem ser conduzidos como parte de operações de projeto e de planejamento e/ou como parte de operações de perfuração em andamento. Sistemas e métodos não limitativos tomados como exemplo são resumidos aqui à guisa de introdução. Métodos tomados como exemplo de aliviar vibrações de conjunto de ferramenta de perfuração incluem: 1) obter dados relacionados a uma pluralidade de parâmetros de perfuração relacionados a uma ou mais operações de perfuração; 2) utilizar um ou mais modelos de domínio de frequência para transformar os dados de parâmetro de perfuração obtidos em um ou mais índices de vibração, que caracterizam uma resposta de excitação de pelo menos um conjunto de ferramenta de perfuração; 3) utilizar um ou mais índices de vibração para identificar pelo menos uma mudança de parâmetro de perfuração para aliviar vibrações do conjunto de ferramenta de perfuração; e 4) ajustar um ou mais parâmetros de perfuração com base, pelo menos em parte, em pelo menos um dos um ou mais índices de vibração e a identificada pelo menos uma mudança de parâmetro de perfuração. Nestes métodos um ou mais modelos de domínio de frequência são adaptados para incluir pelo menos uma relação de amortecimento dependente de velocidade. Os dados obtidos podem incluir dados relacionados a configurações de conjunto de ferramenta de perfuração e opções de projeto.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 14/102

11/88

Adicionalmente ou alternativamente, os dados obtidos podem incluir parâmetros de operações de perfuração tais como faixas adequadas de condições de operação de perfuração.

[0020] Como indicado, os métodos atualmente descritos podem ser adaptados para utilização em projetar um conjunto de ferramenta de perfuração para utilização em uma operação de perfuração. Métodos tomados como exemplo de projetar um conjunto de ferramenta de perfuração podem incluir: 1) obter parâmetros de operação de perfuração relativos a uma operação de perfuração; 2) obter dados de conjunto de ferramenta de perfuração relacionados a um ou mais projetos potenciais de conjunto de ferramenta de perfuração; 3) utilizar um ou mais modelos no domínio de frequência para transformar os parâmetros de operações de perfuração obtidos e os dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos em um ou mais índices de vibração que caracterizam uma resposta de excitação de pelo menos um projeto potencial de conjunto de ferramenta de perfuração; 4) utilizar o um ou mais índices de vibração para avaliar a adequabilidade do um ou mais projetos potenciais de conjunto de ferramenta de perfuração para a operação de perfuração; e 5) selecionar um projeto de um conjunto de ferramenta de perfuração preferido baseado, pelo menos em parte no um ou mais índices de vibração do um ou mais projetos potenciais de conjunto de ferramenta de perfuração. Aqui novamente, um ou mais dos modelos de domínio de frequência são adaptados para incluir pelo menos uma relação de amortecimento dependente de velocidade.

[0021] Continuando com a descrição dos métodos aqui divulgados, os métodos podem ser adaptados para utilização em operações de planejamento e/ou de condução de perfuração. Métodos tomados como exemplo de perfurar um furo de poço podem incluir: 1) obter parâmetros de operações de perfuração relacionados a uma operação de perfuração; 2) obter dados de conjunto de ferramenta de perfuração relacionados a um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração a ser utilizado na operação de perfuração; 3) utilizar um ou mais modelos de domínio de frequência para transformar os parâmetros de operação de perfuração obtidos e os dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos em um ou mais índices de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 15/102

12/88 vibração que caracterizam uma resposta de excitação do projeto de conjunto de ferramenta de perfuração sobre uma faixa de condições operacionais de perfuração disponíveis; 4) determinar condições operacionais de perfuração preferidas para aliviar vibrações com base, pelo menos em parte, em um ou mais dos índices de vibração; 5) perfurar um furo de poço utilizando o conjunto de ferramenta de perfuração enquanto monitorando condições operacionais de perfuração; e, 6) ajustar operações de perfuração para manter condições operacionais de perfuração, pelo menos substancialmente, dentro de uma faixa das condições operacionais de perfuração preferidas. Como discutido acima, um ou mais dos modelos de domínio de frequência são adaptados para incluir pelo menos uma relação de amortecimento dependente de velocidade.

[0022] A presente divulgação ainda fornece um conjunto de ferramenta de perfuração para utilização em uma operação de perfuração. O conjunto de ferramenta de perfuração inclui, pelo menos, um componente de fundo de poço. O pelo menos um componente de fundo de poço é selecionado para dotar o conjunto de ferramenta de perfuração com um índice de vibração preferido. O índice de vibração caracteriza uma resposta de excitação do pelo menos um elemento tubular com base, pelo menos em parte, em parâmetros de operações de perfuração e dados de conjunto de ferramenta de perfuração. O índice de vibração do conjunto de ferramenta de perfuração é determinado utilizando um ou mais modelos de domínio de frequência. Um ou mais dos modelos de domínio de frequência inclui uma relação de amortecimento dependente de velocidade.

[0023] BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0024] O que precede, e outras vantagens da presente técnica podem se tornar evidentes quando da leitura da descrição detalhada a seguir e da referência aos desenhos, nos quais:

[0025] A figura 1 é um fluxograma de métodos dentro do escopo da presente divulgação, [0026] A figura 2 é um fluxograma de métodos dentro do escopo da presente divulgação,

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 16/102

13/88 [0027] A figura 3 é um fluxograma de métodos dentro do escopo da presente divulgação, [0028] A figura 4 é uma ilustração esquemática de sistemas para utilização nos presentes métodos;

[0029] A figura 5 é uma ilustração esquemática de uma operação de perfuração;

[0030] A figura 6 é uma ilustração esquemática de um elemento tubular, por exemplo, conjunto de ferramenta de perfuração, em um estado não tensionado e em um estado esticado e torcido;

[0031] A figura 7 é uma ilustração esquemática de deslocamento lateral de um conjunto de ferramenta de perfuração em um furo de sondagem;

[0032] A figura 8 é uma ilustração esquemática de um conjunto de ferramenta de perfuração em um furo de sondagem que indica o ponto de contato do furo de sondagem e forças do furo de sondagem no plano normal local;

[0033] A figura 9 é uma ilustração esquemática de a) uma representação do equipamento de perfuração como um sistema amortecido mola-massa; b) um diagrama de corpo livre da massa de bloco e a extremidade morta para a solução de linha base quase-estática; e c) um diagrama de corpo livre para resposta dinâmica do sistema a perturbações ao redor da linha base;

[0034] A figura 10 é uma plotagem representativa de índices de desempenho combinados;

[0035] A figura 11 é uma janela de entrada de dados representativa, para o interior da qual dados relativos a uma operação de perfuração podem ser introduzidos;

[0036] A figura 12 é uma janela de introdução de dados representativa, para a qual dados relativos a uma operação de perfuração e parâmetros de projeto podem ser introduzidos;

[0037] A figura 13 é uma ilustração representativa de uma foto de tela que fornece soluções de linha base que incluem os resultados axiais e de torção como uma função de distância para a broca para uma combinação especificada de WOB e RPM.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 17/102

14/88 [0038] A figura 14 é uma ilustração representativa de formas de axiais de modo próprio para o segundo harmônico como uma função de RPM e distância a partir da broca para dois projetos de conjunto de ferramenta de perfuração;

[0039] A figura 15 é uma ilustração representativa de complacência de torção na broca para dois projetos de conjunto de ferramenta de perfuração sobre uma faixa de frequências;

[0040] A figura 16 é uma ilustração representativa de diagramas de deslizamento aderente para quatro projetos de conjunto de ferramenta de perfuração; e [0041] A figura 17 é uma plotagem de contorno de um índice de vibração axial tomado como exemplo.

[0042] DESCRIÇÃO DETALHADA [0043] Na descrição detalhada a seguir aspectos específicos e características da presente invenção estão descritos em conexão com as diversas modalidades. Contudo, na medida em que a descrição a seguir é específica para uma modalidade particular ou uma utilização particular das presentes técnicas, é intenção ser apenas ilustrativa e fornece meramente uma descrição concisa de modalidades tomadas como exemplo. Além disto, no caso em que um aspecto particular ou característica seja descrita em conexão com uma modalidade particular, tais aspecto e características podem ser encontrados e/ou implementados com outras modalidades da presente invenção onde apropriado. Consequentemente, a invenção não está limitada às modalidades específicas descritas abaixo, mas, ao invés disto, a invenção inclui todas as alternativas, modificações e equivalentes, desde que caiam dentro do escopo dos parágrafos numerados anexos.

[0044] Informação útil a respeito das características de vibração de um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração sob condições operacionais particulares, pode ser obtida através de modelagem no domínio de frequência do conjunto de ferramenta de perfuração da resposta do conjunto de ferramenta de perfuração a excitações. As abordagens da presente modelagem no domínio de frequência são adaptadas para serem mais robustas do que métodos convencionais incorporando um ou mais fatores adicionais que afetam vibrações do conjunto de ferramenta de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 18/102

15/88 perfuração no modelo de domínio de frequência onde estes fatores adicionais são incorporadas como funções de outros parâmetros ou condições, ao invés de simples constantes no domínio de frequência. Por exemplo, os efeitos de amortecimento do furo de sondagem e os efeitos de amortecimento de lama são incorporados como funções de resposta linear dependente de um ou mais parâmetros de perfuração. A conveniência e simplicidade computacional dos presentes métodos são preservadas através da utilização de um modelo de base robusta utilizado para determinar uma solução de linha base ou uma condição de linha base do conjunto de ferramenta de perfuração na qual nenhuma vibração está presente. Funções de resposta linear também são desenvolvidas com base no modelo base. A linearização do movimento ao redor da solução de linha base permite a análise independente de harmônico linear dos estados próprios em cada frequência de vibração e utilização de superposição para analisar o movimento dinâmico global.

[0045] Embora soluções de linha base e funções de resposta linear não sejam desconhecidas de alguém versado na técnica, a seleção de entradas e saídas específicas para o modelo de base, bem como a seleção de condições limite, podem afetar de maneira dramática a confiabilidade e precisão da solução de linha base bem como as funções de resposta linear, cálculos, e índices baseados nelas. Por exemplo, modelos de base para modos de vibração axial e de torção podem ser desenvolvidos considerando qualquer número de interações físicas e relações durante as operações de perfuração. Contudo, um modelo que super-simplifique as interações e relações não irá produzir resultados precisos e/ou confiáveis. Os modelos de base apresentados aqui utilizam modelos do conjunto de ferramenta de perfuração que fornecem um modelo mais robusto e confiável que requer e/ou possibilita que sistemas, métodos e resultados diferentes daqueles anteriormente conhecidos ou disponíveis para aqueles de talento na técnica.

[0046] A tecnologia da presente divulgação desenvolve e utiliza índices de vibração como proxies para o desempenho de vibração global de um conjunto de ferramenta de perfuração. Os índices de vibração são derivados da solução de linha de base, a frequência de estados próprios, e as funções de resposta linear geradas

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 19/102

16/88 a partir do modelo de base. Os índices de vibração caracterizam a resposta de excitação de um conjunto de ferramenta de perfuração e são determinados utilizando um ou mais modelos no domínio de frequência. Diversos parâmetros de perfuração podem ser entradas para os modelos de domínio de frequência, dependendo do índice que está sendo determinado e dos modelos que estão sendo utilizados. Parâmetros de perfuração que podem ser utilizados como entradas incluem dados relacionados ao próprio conjunto de ferramenta de perfuração, tal como opções de configuração do conjunto e dados relacionados a operações de perfuração tais como parâmetros de operações de perfuração ou condições operacionais de perfuração. Como descrito acima, um conjunto de ferramenta de perfuração pode incluir uma variedade de partes componentes arranjadas em uma variedade de maneiras, as quais apresentam inúmeras opções de configuração. Os dados do conjunto de ferramenta de perfuração que podem ser utilizados como entradas podem ser dados relacionados a um conjunto de ferramenta de perfuração existente, seja antes ou depois de utilização em uma operação de perfuração e/ou dados relacionados a um ou mais projetos propostos de conjunto de ferramenta de perfuração que podem ser selecionados para utilização em operações de perfuração. Os dados relacionados a operações de perfuração podem incluir dados específicos relacionados a condições operacionais (“condições operacionais de perfuração”) e/ou podem incluir parâmetros de operações de perfuração que são faixas de condições disponíveis para uma ou mais variáveis operacionais de perfuração, tal como peso sobre a broca, RPM, etc. Uma variável operacional é um elemento operacional sobre o qual um operador tem algum controle. Os métodos e sistemas da presente divulgação podem obter dados de entrada tal como para utilização nos modelos de domínio de frequência a partir de um plano de perfuração. Como aqui utilizado, plano de perfuração se refere à coleção de dados relacionados ao equipamento e métodos a serem utilizados em uma operação de perfuração ou em um estágio particular de uma operação de perfuração. De maneira similar, a utilização dos presentes sistemas e métodos pode auxiliar a desenvolver um plano de perfuração para uma operação de perfuração ou um estágio de uma operação de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 20/102

17/88 perfuração.

[0047] Em geral, um índice de vibração está associado com um conjunto particular de parâmetros de perfuração e pode ser qualquer quantidade que seja computada a partir de um ou mais dos estados de linha base associados, a frequência de estados próprios, e as funções de resposta linear. A relação funcional para um dado índice é escolhida de tal modo que o índice computado corresponde a pelo menos um aspecto da tendência de rotação do conjunto de ferramenta de perfuração para aquelas condições operacionais. Exemplos de índices de vibração representativos estão descritos em maior detalhe abaixo.

[0048] Como descrito acima, as tecnologias da presente divulgação possibilitam modelagem robusta de resposta de rotação de conjunto de ferramenta de perfuração para excitações. A modelagem é considerada mais robusta porque ela é adaptada para incorporar mais completamente ou explicitamente fatores anteriormente ignorados ou representados por simples constantes, embora mantendo a conveniência e a eficiência computacional. Fatores tomados como exemplo que podem ser incorporados nos presentes modelos de domínio de frequência incluem relações de amortecimento dependentes de velocidade, efeitos de trajetória complexa de furo de sondagem e efeitos de junta de ferramenta. Em algumas implementações os fatores relacionados à vibração podem ser incorporados nos modelos de domínio de frequência por meio de uma ou mais funções de resposta linear, que em algumas implementações podem ser incorporadas como um propagador de onda como pedaço.

[0049] A figura 1 fornece um fluxograma tomado como exemplo de métodos dentro do escopo das presentes tecnologias. Mais especificamente, a figura 1 fornece um exemplo de métodos referenciado genericamente como métodos 100 para aliviar vibrações de um conjunto de ferramenta de perfuração utilizando um ou mais índices de vibração. Os métodos podem ser conduzidos antes de uma operação de perfuração para predizer desempenho de vibração e para informar o projeto do conjunto de ferramenta de perfuração e/ou o planejamento das operações de perfuração. Adicionalmente ou alternativamente, os métodos podem ser

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 21/102

18/88 conduzidos durante operações de perfuração para determinar um índice de desempenho de vibração e para auxiliar a aliviar vibrações durante as operações de perfuração.

[0050] Os métodos de aliviar vibrações 100 começam, como ilustrado, obtendo parâmetros de perfuração na caixa 102. Como descrito acima, os parâmetros de perfuração obtidos podem incluir dados de conjunto de ferramenta de perfuração 104 e/ou parâmetros de operações de perfuração 106. Os dados coletados obtidos enquanto obtendo parâmetros de perfuração podem depender do contexto no qual os presentes sistemas e métodos estão sendo utilizados. Por exemplo, em um ambiente de projeto, os parâmetros de perfuração obtidos podem incluir detalhes a respeito de um ou mais projetos de conjunto de ferramenta de perfuração ou conjuntos de ferramenta de perfuração que são propostos para utilização em uma operação de perfuração. De maneira similar, os parâmetros de perfuração obtidos podem incluir parâmetros de operações de perfurações relacionados a uma pluralidade de planos de perfuração propostos, que podem incluir uma pluralidade de planos de perfuração para cada um de uma pluralidade de conjuntos de ferramenta de perfuração propostos. Alternativamente, no contexto de operações de campo em andamento, os parâmetros de perfuração obtidos podem ser limitados a dados de conjunto de ferramenta de perfuração 104 relacionados a uma seleção estreita de conjuntos de ferramenta de perfuração e/ou um conjunto estreito de parâmetros de operações de perfuração tal como podem ser restringidos por equipamentos no local. Além disto, no contexto de operações de campo em andamento, os parâmetros de perfuração obtidos 102 podem incluir dados medidos ou monitorados relacionados nas operações de perfuração em andamento. Como será visto aqui, os diversos tipos de parâmetros de perfuração podem ser utilizados como entradas em maneiras diferentes nos sistemas e métodos aqui descritos.

[0051] A figura 1 ainda ilustra que os presentes métodos incluem utilizar um ou mais modelos de domínio de frequência para produzir um ou mais índices de vibração na caixa 108. Mais especificamente, os modelos de domínio de frequência dos presentes sistemas e métodos são adaptados para transformar os dados e

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 22/102

19/88 parâmetros de perfuração obtidos em um ou mais índices de vibração, cujos índices caracterizam uma resposta de excitação de pelo menos um conjunto de ferramenta de perfuração. Consequentemente, os modelos de domínio de frequência utilizam dados de parâmetro de perfuração relacionados a uma pluralidade de objetos físicos e atividades, e transformam os dados de parâmetro de perfuração em índices de vibração representativos de, e que caracterizam outros eventos físicos, particularmente a resposta de um conjunto de ferramenta de perfuração a excitações. Exemplos de modelos de domínio de frequência adequados estão descritos em maior detalhe abaixo, juntamente com equações, matrizes, etc., tomadas como exemplo. Além disto, índices de vibração tomados como exemplo, estão descritos em maior detalhe abaixo.

[0052] Um conjunto de ferramenta de perfuração pode responder a excitações em uma variedade de maneiras dependendo do tipo de excitação aplicado ao conjunto de ferramenta de perfuração. Os sistemas e métodos da presente divulgação são direcionados de maneira primária a vibrações de torção e/ou axiais em resposta a excitações, porém podem ser estendidos para outras formas de vibrações tal como vibrações laterais. A presente divulgação fornece exemplos de índices de vibração que são mais bem adequados para vibrações que são de maneira primária vibrações axiais e índices de vibração que são mais bem adequados para vibrações que são primariamente vibrações de torção. Adicionalmente, a presente divulgação fornece exemplos de métodos para combinar juntos dois ou mais índices, tal como pode ser utilizado para caracterizar respostas de excitação que não podem ser caracterizadas como primariamente de torção ou axiais. É entendido que vibrações do conjunto de ferramenta de perfuração serão raramente limitadas a um único modo de vibração. Consequentemente, um usuário pode eleger utilizar um índice de vibração adaptado para uma resposta de excitação que é primariamente vibração axial ou vibração de torção quando os parâmetros de perfuração sugerem que uma ou outra estarão controlando ou de significação maior. Adicionalmente ou alternativamente, o usuário pode eleger utilizar diversos índices de vibração simultaneamente ou combinar os índices em um índice composto. Por

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 23/102

20/88 exemplo, diversos índices de vibração podem ser apresentados graficamente tal como superpondo os índices. Adicionalmente ou alternativamente, um índice composto pode ser desenvolvido matematicamente como descrito em maior detalhe abaixo.

[0053] Como ilustrado na figura 1, implementações dos presentes sistemas e métodos incluem modelos de domínio de frequência 106 que incorporam e que são adaptados para incluir uma ou mais relações de amortecimento dependentes de velocidade na caixa 110 para incorporar funcionalmente nos modelos de domínio de frequência o efeito de um ou mais fatores que afetam a resposta de excitação de um conjunto de ferramenta de perfuração durante operações de perfuração. A despeito do efeito ou fator que está sendo incorporado nos modelos de domínio de frequência por meio da relação de amortecimento dependente de velocidade, o tema comum é que a incorporação de dependência funcional em velocidade de rotação do conjunto de ferramenta de perfuração permite que os presentes métodos e sistemas sejam mais robustos e mais precisos. Além disto, a inclusão de relações de amortecimento dependente de velocidade revela em maior detalhe as margens de desempenho de vibração. Como será entendido por meio da descrição mais técnica abaixo, fatores tais como o peso sobre a broca, configuração da broca e velocidade de rotação são genericamente considerados dominantes na determinação de desempenho de vibração com fatores de amortecimento reconhecidos porém apenas considerados de maneira pobre por métodos convencionais devido à complexidade da modelagem das relações e física envolvidas nos fatores de amortecimento. A presente divulgação fornece sistemas e métodos adaptados para permitir que fatores de amortecimento sejam incorporados funcionalmente aos modelos de domínio de frequência. Consequentemente, o desempenho de vibração pode ser caracterizado de maneira mais precisa e os parâmetros de perfuração podem ser ajustados de maneira mais agressiva para aumentar ambas, a velocidade de penetração e a vida do conjunto de ferramenta de perfuração.

[0054] A figura 1 ilustra efeitos tomados como exemplo que podem ser incorporados nas relações de amortecimento dependente de velocidade, tal como

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 24/102

21/88 efeitos de furo de sondagem 112 e efeitos de lama 114. O furo de sondagem e, mais particularmente, a parede do furo de sondagem, podem afetar a resposta de excitação de um conjunto de ferramenta de perfuração em uma variedade de maneiras. Como um exemplo, o efeito de atrito do furo de sondagem pode amortecer a resposta de excitação devido a contato entre o conjunto de ferramenta de perfuração e a parede do furo de sondagem. De maneira similar, lama pode afetar a resposta de excitação amortecendo a resposta de excitação. Efeitos de lama tomados como exemplo podem incluir efeitos de viscosidade de lama e efeitos de inércia de lama. O efeito de viscosidade de lama pode ser entendido como o impacto da interação do conjunto ferramenta-lama. Por exemplo, o conjunto de ferramenta de perfuração irá responder à excitação de maneira mais dramática em uma lama menos viscosa. Os efeitos de inércia de lama podem ser entendidos como a resistência da lama a mudar de direção (se em movimento) ou de posição (se em repouso). Por exemplo, a resposta de excitação e a interação entre a lama e o conjunto de ferramenta podem requerer, pelo menos, que algo da lama responda em maneira similar ao conjunto de ferramenta de perfuração. Os efeitos de inércia de lama podem limitar a resposta da lama, com isto amortecendo a resposta de excitação do conjunto de ferramenta de perfuração. Os impactos do furo de sondagem e da lama em vibrações e em modelos que descrevem vibrações estão descritos em maior detalhe abaixo, juntamente com as equações e exemplos de como tais efeitos são incorporados nos modelos de domínio de frequência por meio das relações de amortecimento dependente de velocidade. Para observar, foi descoberto que pelo menos dois destes efeitos de amortecimento têm relações opostas com velocidade. Devido à dependência distinta de velocidade de cada um destes efeitos algumas implementações podem ser beneficiadas pela incorporação distinta funcional de cada efeito ao invés de uma tentativa de agrupá-los juntos.

[0055] Como mencionado acima, os modelos de domínio de frequência que incorporam pelo menos uma relação de amortecimento dependente de viscosidade são utilizados para produzir, pelo menos, um índice de vibração, e podem ser utilizados para selecionar e/ou ajustar parâmetros de perfuração. Adicionalmente, o

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 25/102

22/88 um ou mais modelos de domínio de frequência dos presentes métodos podem ser adaptados para incorporar outras relações ou efeitos no modelo do desempenho de vibração. Por exemplo, os modelos de domínio de frequência podem ser adaptados para incorporar efeitos associados com uma trajetória complexa de furo de poço, que pode ser entendido incluir qualquer trajetória que não seja uma trajetória vertical simples, tais como furos de sondagem que têm seções construídas em seções horizontais, seções inclinadas, seções desviadas,ou outras trajetórias. Dependendo dos fatores ou efeitos que são incorporados nos modelos de domínio de frequência, a natureza dos parâmetros de perfuração obtidos pode mudar. Por exemplo, os parâmetros de perfuração obtidos podem incluir dados relacionados a trajetórias de furo de sondagem planejadas ou existentes. Embora a trajetória do furo de sondagem possa ser relevante na modelagem ou caracterização de uma variedade de resposta de excitação, uma trajetória de furo de sondagem complexa pode ter um efeito maior em vibrações axiais. Consequentemente, algumas implementações dos presentes métodos podem ser adaptadas para obter dados de parâmetros de perfuração relacionados à trajetória do furo de sondagem para utilizar um modelo de domínio de frequência funcionalmente dependente da trajetória do furo de sondagem e para produzir ou gerar, pelo menos, um índice de vibração que caracteriza uma resposta axial dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração. [0056] Como outro exemplo de efeitos que podem ser incorporados nos modelos de domínio de frequência dos presentes métodos, o um ou mais modelos de domínio de frequência podem ser adaptados para incorporar efeitos de junta de ferramenta que, em resumo, é o efeito do conjunto de ferramenta de perfuração que tem uma seção transversal não uniforme. O efeito de junta de ferramenta está descrito em maior detalhe abaixo juntamente com métodos de incorporar o efeito de junta de ferramenta no modelo de domínio de frequência.

[0057] Como descrito acima, os modelos de domínio de frequência são utilizados para gerar um ou mais índices de vibração. Em algumas implementações, como será mais bem entendido a partir dos exemplos fornecidos abaixo, os índices de vibração podem ser baseados, pelo menos em parte, nos modelos de domínio de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 26/102

23/88 frequência tal como sendo calculados utilizando as soluções para os modelos de domínio de frequência sozinhos ou juntamente com dados adicionais. Como um exemplo, o índice de vibração pode ser funcionalmente dependente de um ou mais parâmetros de perfuração. Parâmetros de perfuração tomados como exemplo sobre os quais um ou mais índices de vibração podem ser dependentes incluem profundidade da broca, velocidade de rotação (da broca de perfuração e/ou do conjunto de ferramenta de perfuração), velocidade da bomba de lama, viscosidade da lama, peso sobre a broca, vazão de lama, velocidade de penetração, energia mecânica específica, etc. A maneira na qual o índice de vibração depende de um ou mais destes parâmetros de perfuração irá depender da natureza do índice de vibração e do tipo de resposta de excitação que está sendo caracterizado. Como será entendido a partir da descrição mais técnica de exemplos específicos abaixo, diversas relações podem ser utilizadas para calcular um índice de vibração que depende da física acreditada contribuir para a vibração. Com referência aos índices de vibração tomados como exemplo aqui descritos, índices de vibração adicionais e/ou alternativos podem ser desenvolvidos e utilizados tendo dependência funcional sobre o mesmo ou diferentes parâmetros de perfuração.

[0058] Os sistemas e métodos descritos aqui são direcionados para aliviar vibrações em conjunto de ferramenta de perfuração utilizando o um ou mais índices de vibração. Como aqui descrito, os índices podem ser desenvolvidos em uma base absoluta ou para utilização na comparação de conjuntos distintos de parâmetros de perfuração. Como um exemplo de uma base absoluta algumas implementações podem considerar especificamente os índices de vibração de conjuntos de ferramenta de perfuração sob condições operacionais em sua frequência de ressonância.

[0059] Como ilustrado na figura 1 os métodos da presente divulgação incluem utilizar os índices de vibração para identificar, pelo menos, uma mudança de parâmetro de perfuração que poderia ser implementada para aliviar vibrações do conjunto de ferramenta de perfuração na caixa 116. Como será descrito em maior detalhe abaixo, os presentes sistemas e métodos abrangem o desenvolvimento e

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 27/102

24/88 utilização de diversos índices de vibração. A maneira na qual o um ou mais índices de vibração são utilizados pode variar dependendo da natureza dos índices de vibração. Por exemplo, alguns dos índices de vibração descritos aqui são mais bem apresentados graficamente enquanto outros podem ser agradáveis à representação numérica. Em algumas implementações os índices de vibração podem ser calculados através de uma faixa de valores para um ou mais parâmetros de perfuração e a utilização dos parâmetros pode compreender identificar a combinação de valores de parâmetros que resultam nas vibrações as mais baixas na velocidade de penetração a mais alta ou na utilização de algum outro objetivo. Para a maior parte das implementações o objetivo da utilização dos índices de vibração será minimizar vibrações identificando parâmetros de perfuração preferidos dentro de uma faixa de parâmetros de perfuração adequados. Embora diversos índices de parâmetros de perfuração possam ser considerados, algumas implementações podem compreender a utilização de um único índice de vibração, e a identificação de uma mudança de parâmetro de perfuração pode compreender apenas identificar a condição do parâmetro de perfuração que corresponde ao valor do índice de vibração mínimo ou máximo.

[0060] Finalmente, a figura 1 ainda ilustra que os métodos de aliviar vibrações 100 inclui ajustar um ou mais parâmetros de perfuração com base, pelo menos em parte, em pelo menos um dos um ou mais índices de vibração de uma identificada pelo menos uma mudança de parâmetro de perfuração na caixa 118. Os métodos descritos aqui incluem realizar ou desempenhar alguma mudança em um ou mais parâmetros de perfuração tal como uma condição operacional ou uma opção de configuração de conjunto de ferramenta de perfuração, para aliviar vibração do conjunto de ferramenta de perfuração. Consequentemente, pode ser visto que o presente método inclui obter dados relacionados a condições físicas, transformar estes dados para representar atividades físicas, especificamente vibrações, e utilizar os dados transformados para mudar condições físicas, especificamente um ou mais parâmetros de perfuração para alterar e melhorar as atividades físicas.

[0061] Dependendo do ambiente no qual os presentes sistemas e métodos são

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 28/102

25/88 utilizados, o ajustamento do pelo menos um parâmetro de perfuração pode ser baseado nos índices de vibração e/ou em uma mudança determinada ou identificada de parâmetro de perfuração. Por exemplo, em um operação de campo a mudança identificada pode ser apresentada para um operador com ou sem o índice de vibração subjacente utilizado para determinar a mudança. A despeito de se o índice de vibração é apresentado para o operador no campo, a mudança determinada também pode ser apresentada e o operador pode atuar para ajustar condições de perfuração com base apenas na mudança apresentada. Adicionalmente ou alternativamente, um operador ou outra pessoa no campo pode considerar ambos, os índices de vibração e a mudança de parâmetro de perfuração identificada. Ainda adicionalmente, em algumas implementações os métodos descritos aqui podem ser aplicados de maneira iterative por meio de sistemas de computador, para avaliar diversas combinações de configurações de conjunto de ferramenta de perfuração e parâmetros de operações de perfuração. O processo iterative pode utilizar os modelos de domínio de frequência para gerar uma pluralidade de índices de vibração para combinações de conjunto de ferramenta de perfuração e parâmetros de operações de perfuração. O sistema de computador pode ser adaptado para identificar a combinação de configurações de conjunto de ferramenta de perfuração e parâmetros de operações de perfuração e condições operacionais de perfuração que resultam no índice ou índices de vibração mínimos. Em algumas implementações esta identificação pode ser apresentada ou impressa para um operador utilizar no ajustamento de um parâmetro de perfuração. Adicionalmente ou alternativamente, tal como quando a mudança de parâmetro de perfuração identificada é meramente uma mudança em condições operacionais, o sistema de computador pode ser adaptado para mudar o parâmetro de perfuração sem intervenção do usuário, tal como ajustando a velocidade de rotação, velocidade do motor da bomba, etc.

[0062] Novamente, dependendo da maneira ou ambiente no qual os presentes sistemas e métodos são utilizados, a maneira de ajustar o parâmetro de perfuração pode mudar. Quando utilizado para projetar os conjuntos de ferramenta de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 29/102

26/88 perfuração e/ou para desenvolver planos de perfuração, o ajustamento pode ser implementado selecionando um conjunto de ferramenta de perfuração apropriado e/ou projetando um plano de perfuração para fornecer as condições operacionais de perfuração identificadas. Quando os presentes sistemas e métodos são utilizados no campo, tal como durante operações de perfuração em andamento, o ajustamento pode estar limitado a ajustamento de condições operacionais de perfuração substancialmente em tempo real, tal como mudando um ou mais dentre: a velocidade de rotação, a velocidade da bomba de lama, a viscosidade da lama, a vazão da lama, o peso sobre a broca, etc. Adicionalmente ou alternativamente, o ajustamento pode compreender desenvolver planos para um próximo estágio de uma operação de perfuração em andamento que pode ser mais como a fase de projeto descrita anteriormente. Perfurar um furo de poço muitas vezes inclui utilizar diversos estágios de perfuração, e cada estágio pode ser conduzido de maneira algo diferente tal como mudando brocas, peso sobre a broca, propriedades de lama de perfuração, etc. Os presentes métodos e sistemas podem ser implementados em uma maneira para ajustar um ou mais parâmetros de perfuração durante uma operação de perfuração, porém não necessariamente e substancialmente em tempo real.

[0063] Embora não ilustrado expressamente na figura 1, é entendido que os métodos descritos aqui podem ser estendidos perfurando um furo de poço e coletando dados relativos a condições operacionais de perfuração ao perfurar. Além disto, será entendido que os métodos descritos em conexão com a figura 1 podem ser estendidos perfurando um furo de poço para utilização em operações de produção de hidrocarbonetos tais como operações relacionadas à produção de hidrocarbonetos através do furo de poço, por exemplo produção e/ou injeção, ou em outras aplicações tais como aplicações geotérmicas, aplicações de injeção de água, aplicações de injeção de despejos, e/ou operações de seqüestro de carbono.

[0064] A figura 2 apresenta outro fluxograma de métodos dentro do escopo da presente divulgação. A figura 2 fornece um fluxograma para ilustrar métodos 200 de selecionar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração preferido. Por meio

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 30/102

27/88 de inspeção, as similaridades entre a figura 1 e a figura 2 podem ser observadas. Consequentemente, a descrição acima relativa aos diversos elementos e componentes dos métodos 100 da figura 1 são expressamente aplicados nos métodos 200 da figura 2. Com efeito, o fluxograma de métodos 100 é representativo de métodos de aliviar vibrações que podem ser aplicados em diversos estágios dos processos de exploração e desenvolvimento, incluindo estágios de projeto e de planejamento e estágios de operações. Os métodos 200 da figura 2 são uma aplicação específica dos métodos aos aspectos de projeto e planejamento dos processos de exploração e desenvolvimento tal como estágios onde usuários são capazes de considerar uma pluralidade de projetos de conjunto de ferramenta de perfuração e selecionar componentes para o conjunto de ferramenta de perfuração para aliviar as suas vibrações sob condições operacionais esperadas. No interesse da brevidade, a descrição completa acima não será repetida com relação a cada etapa. Contudo, numerais de referências iguais serão utilizados para facilitar a extrapolação da descrição acima para o fluxograma na figura 2.

[0065] Consequentemente, com referência a figura 2, e com referência continuada à figura 1, métodos de projetar um conjunto de ferramenta de perfuração para utilização em uma operação de perfuração estão ilustrados como métodos 200. Inicialmente os métodos 200 da figura 2 incluem obter parâmetros de operações de perfuração em 206 e obter dados de conjuntos de ferramenta de perfuração relacionados a um ou mais conjuntos potenciais de ferramenta de perfuração em 204. Mais especificamente, os parâmetros de operações de perfuração obtidos são relacionados a uma operação de perfuração e podem ser restringidos pelos específicos do poço, a formação, o reservatório e/ou dados a respeito de operações de perfuração passadas. Por exemplo, a faixa de condições operacionais incluídas nos parâmetros de operações de perfuração pode estar sujeita a menos variação do que nos métodos 100 da figura 1.

[0066] Os métodos de projeto 200 da figura 2 continuam em uma maneira similar àquela descrita acima em conexão com a figura 1. Especificamente, os métodos utilizam um ou mais modelos de domínio de frequência para transformar os

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 31/102

28/88 parâmetros de operações de perfuração obtidos e os dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos em um ou mais índices de vibração adaptados para caracterizar uma resposta de excitação de pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração na caixa 208. Como descrito acima, os modelos de domínio de frequência podem incluir uma relação de amortecimento dependente de velocidade (caixa 210) que pode incorporar um ou mais fatores que afetam as relações de amortecimento, tal como efeitos de lama 214 e efeitos de furo de sondagem 212, que podem ser incorporados junto com suas relações distintas dependentes de velocidade. Adicionalmente, os modelos de domínio de frequência, as relações de amortecimento dependentes de velocidade e os índices de vibração, podem estar, como descrito acima, em conexão com a figura 1.

[0067] A figura 2 ilustra que os índices de vibração podem ser utilizados para avaliar a adequabilidade de um ou mais projetos potenciais de conjunto de ferramenta de perfuração para a operação de perfuração na caixa 216. Como indicado, os métodos de projeto 200 são direcionados no sentido de projetar um conjunto de ferramenta de perfuração para uma dada operação de perfuração ou estágio de uma operação de perfuração, na medida em que a configuração do conjunto de ferramenta de perfuração pode ser alterada entre estágios. Como sugerido pelo numeral de referência similar, a utilização dos índices de vibração para avaliar projetos de conjunto de ferramenta de perfuração é análoga à etapa da figura 1 de identificar mudanças de parâmetro de perfuração para aliviar vibrações de perfuração. De maneira similar, a utilização dos índices de vibração para avaliar projetos de conjunto de ferramenta de perfuração é adaptada para identificar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração esperado aliviar vibrações ou resultar em um desempenho de vibração preferido durante operações de perfuração. Embora os índices de vibração possam ser calculados em uma base absoluta, a comparação entre os diversos projetos de conjunto de ferramenta de perfuração conduz a comparar índices de vibração, exemplos dos quais estão fornecidos abaixo.

[0068] A figura 2 ainda ilustra que os métodos de projeto concluem com

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 32/102

29/88 selecionar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração preferido na caixa 218. Selecionar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração preferido é um exemplo de ajustar parâmetros de perfuração para aliviar vibrações, como descrito acima. A seleção pode estar baseada, pelo menos em parte, no um ou mais índices de vibração. Outros fatores que podem ser considerados incluem a velocidade de penetração alcançável ao minimizar vibrações, os custos associados com os esforços para minimizar vibrações, etc. Como indicado, os métodos de projetar um conjunto de ferramenta de perfuração 200 podem incorporar qualquer um dos aspectos adicionais e características descritas acima em conexão com a figura 1, e podem incorporar aspectos técnicos, modelos, equações, índices, etc., descritos através de exemplos, em maior detalhe abaixo.

[0069] Como pode ser entendido, os métodos de projeto 200 podem ser implementados antes que um furo de poço seja perfurado ou em qualquer ponto durante uma operação de perfuração, tal como antes de uma oportunidade para mudar o projeto do conjunto de ferramenta de perfuração, por exemplo, antes de substituir uma broca de perfuração. Adicionalmente, como pode ser entendido, os métodos de projetar um conjunto de ferramenta de perfuração 200 podem ser estendidos para incluir desenvolver um plano de perfuração que utiliza os índices de vibração. Por exemplo, os parâmetros de operações de perfuração obtidos podem incluir dados relacionados a faixas adequadas de condições operacionais de perfuração. Os parâmetros de operações de perfuração podem ser utilizados para determinar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração preferido que pode então ser utilizado juntamente com os modelos de domínio de frequência e/ou os índices de vibração para determinar condições operacionais de perfuração adaptadas para aliviar vibrações. O plano de perfuração pode então ser desenvolvido com baseado, pelo menos em parte, nas condições operacionais de perfuração identificadas ou determinadas. Outros fatores que podem ser considerados incluem custo, risco, etc. Em algumas implementações, as etapas de selecionar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração preferido e desenvolver um plano de perfuração, podem ser implementadas de maneira iterative

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 33/102

30/88 ou de maneira recursive para otimizar o plano de perfuração e/ou o projeto do conjunto de ferramenta de perfuração.

[0070] Embora os métodos da figura 2 sejam direcionados para projetar um conjunto de ferramenta de perfuração para aliviar vibrações durante operações de perfuração, a presente divulgação não propõe quaisquer ferramentas ou componentes novos ou exclusivos de fundo de poço. Ao invés disto, a presente divulgação fornece conjuntos de ferramenta de perfuração ou combinações de ferramentas de fundo de poço e componentes adaptados para aliviar vibrações em virtude da seleção e configuração dos diversos componentes de fundo de poço que compreendem o conjunto de ferramenta de perfuração. Como descrito acima, o conjunto de ferramenta de perfuração pode compreender uma pluralidade de componentes de fundo de poço que incluem componentes comumente agrupados como o conjunto de fundo de furo, a coluna de perfuração ou segmentos deles, o colar de perfuração, os estabilizadores, a broca, etc. Devido ao número de componentes que pode constituir o conjunto de ferramenta de perfuração, o número de configurações e opções de configuração é praticamente ilimitado, particularmente ao considerar os diversos modelos de cada componente que são fornecidos pelos diversos fornecedores. Contudo, algumas implementações da presente de divulgação incluem um conjunto de ferramenta de perfuração que tem, pelo menos, um componente de fundo de poço selecionado para fornecer o conjunto de ferramenta de perfuração com um índice de vibração preferido. O índice de vibração pode ser determinado como descrito acima. Adicionalmente, os métodos de projetar um conjunto de ferramenta de perfuração descritos acima podem ser utilizados na identificação de pelo menos um componente de fundo de poço que é selecionado para dotar o conjunto de ferramenta de perfuração de um índice de vibração preferido. Por exemplo, o componente de fundo de poço selecionado pode ser selecionado dentre o grupo que consiste de um dispositivo de corte de rocha, uma broca, um conjunto de fundo de furo, um colar de perfuração, um segmento de coluna de perfuração, uma conexão de choque, um motor de lama, e qualquer combinação deles.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 34/102

31/88 [0071] Como descrito acima em conexão com a figura 1 e a figura 2, os presentes sistemas e métodos podem ser utilizados para aliviar vibrações através de ajustar um ou mais parâmetros de perfuração. A figura 3 fornece um fluxograma tomado como exemplo de tais métodos adaptados para utilização em projetar e ou conduzir operações de perfuração com um dado projeto de conjunto de ferramenta de perfuração, tal como pode ser o caso ao tentar aliviar vibrações durante uma operação de perfuração em andamento, quando outras condições limitam de maneira dramática as opções de configuração para o conjunto de ferramenta de perfuração. Será observado que o método para perfurar um furo de poço 300 da figura 3 é similar em diversos aspectos às figuras 1 e 2, e numerais de referências iguais foram utilizados para fazer referência a aspectos ou etapas similares. Inicialmente os métodos de perfuração presentes incluem obter parâmetros de operações de perfuração relativos a uma operação de perfuração em 306 e obter dados de conjunto de ferramenta de perfuração em 304. Como ilustrado na figura 3, os parâmetros de operações de perfuração podem ser relacionados a uma operação de perfuração em um único local. Os dados de conjunto de ferramenta de perfuração podem ser relacionados a um conjunto de ferramenta de perfuração particular a ser utilizado na operação de perfuração. Em implementações que utilizam os presentes sistemas e métodos durante operações de perfuração em andamento, os dados do conjunto de ferramenta de perfuração podem ser relacionados ao conjunto de ferramenta de perfuração atualmente em utilização.

[0072] Como descrito acima, um ou mais modelos de domínio de frequência podem ser utilizados, em 308, para transformar os parâmetros de operações de perfuração obtidos e os dados de conjunto de ferramenta de perfuração para um ou mais índices de vibração que caracterizam uma resposta de excitação do projeto de conjunto de ferramenta de perfuração. Os índices de vibração podem ser gerados ou calculados para uma faixa de condições operacionais de perfuração disponíveis dentro dos parâmetros de operações de perfuração. Incorporando a descrição acima relacionada à figura 1, a utilização dos modelos de domínio de frequência para produzir um ou mais índices de vibração pode incluir uma relação de amortecimento

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 35/102

32/88 dependente de velocidade 310 como parte dos modelos de domínio de frequência. O restante da descrição acima relacionada à incorporação de diversos efeitos na relação de amortecimento dependente de velocidade e/ou nos modelos de domínio de frequência, é também aplicável a estes métodos. Com efeito, qualquer um ou mais dos métodos e/ou características descritas em conexão com a figura 1 podem ser aplicados nos métodos da figura 3, embora variando as condições operacionais de perfuração dentro da faixa fornecida pelos parâmetros de operações de perfuração, para determinar um ou mais índices de vibração sob uma pluralidade de condições operacionais.

[0073] Os métodos de perfuração presentes da figura 3 utilizam os modelos de domínio de frequência e índices de vibração para determinar condições operacionais de perfuração preferidas para aliviar vibrações na caixa 316. Similar à descrição acima relativa a identificar mudanças de parâmetro de perfuração, a etapa de determinar condições operacionais de perfuração preferidas pode ser realizada em uma variedade de maneiras. Por exemplo, índices de vibração podem ser calculados para um dado conjunto de ferramenta de perfuração sob uma variedade de condições operacionais dentro da faixa definida pelos parâmetros de operações de perfuração obtidos. Os índices de vibração podem então ser avaliados tal como na caixa 316, para determinar uma combinação de condições operacionais de perfuração resultantes na vibração mínima, ou com um índice de vibração preferido. Embora as condições operacionais de perfuração preferidas possam ser baseadas em esforços para aliviar vibrações, tal como sendo baseadas em um ou mais índices de vibração, outros fatores podem influenciar a determinação de condições operacionais de perfuração preferidas, tais como custos, riscos, etc.

[0074] A figura 3 ainda inclui perfurar um furo de poço utilizando o conjunto de ferramenta de perfuração enquanto monitorando as condições operacionais de perfuração na caixa 320. A perfuração pode prosseguir de acordo com práticas de perfuração convencionais. O monitoramento das condições operacionais de perfuração permite ao operador conhecer quando condições estão se desviando das condições operacionais de perfuração preferidas. A despeito dos melhores esforços

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 36/102

33/88 do operador para ajustar variáveis controláveis em uma maneira para manter as condições operacionais de perfuração preferidas, a formação irá muitas vezes resultar em condições operacionais de perfuração que mudam durante a operação de perfuração. Por exemplo, dados tais como a energia mecânica específica ou a velocidade de penetração, podem ser monitorados utilizando operações durante operações de perfuração e podem mudar quando o conjunto de ferramenta de perfuração transiciona de perfurar através de formação frouxamente consolidada para formação de rocha dura. Quando as condições operacionais de perfuração monitoradas sugerem que uma mudança é necessária, os métodos presentes na figura 3 também incluem ajustar operações de perfuração para manter as condições operacionais de perfuração dentro, ou pelo menos substancialmente dentro, de uma faixa das condições operacionais de perfuração preferidas. Por exemplo, para evitar ajustamento constante das operações de perfuração, uma faixa ou margem de erro pode ser identificada dentro da qual as condições operacionais de perfuração podem variar, tal como uma faixa entre cerca de 0% e cerca de 10%, dependendo do parâmetro que está sendo considerado e/ou a sensibilidade da operação de perfuração. Faixas aceitáveis para fornecer variáveis operacionais serão facilmente identificáveis por aqueles familiarizados com operações de perfuração.

[0075] A figura 3 ainda ilustra que os métodos de perfuração presentes podem ser estendidos utilizando o furo de poço em operações relacionadas a hidrocarbonetos em 322, tal como na produção de hidrocarbonetos a partir do furo de poço em 324. Outras operações relacionadas a hidrocarbonetos podem incluir tais atividades como operações de injeção ou outras operações relacionadas a tratamento.

[0076] A figura 4 ilustra um sistema de computador simplificado 400 no qual métodos da presente divulgação podem ser implementados. O sistema de computador 400 inclui um computador de sistema 410 que pode ser implementado como qualquer computador pessoal convencional ou outra configuração de sistema de computador descrita acima. O computador de sistema 410 está em comunicação com dispositivos de armazenagem de dados representativos 412, 414 e 416, que

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 37/102

34/88 podem ser dispositivos de armazenagem em disco rígido ou externo, ou qualquer outra forma adequada de armazenagem de dados. Em algumas implementações, dispositivos de armazenagem de dados 412, 414 e 416 são discos rígidos convencionais e são implementados por meio de uma rede de área local ou por acesso remoto. Naturalmente, embora dispositivos de armazenagem de dados 412, 414 e 416 estejam mostrados como dispositivo separados, um único dispositivo de armazenagem de dados pode ser utilizado para armazenar qualquer e todas as instruções de programa, dados de medição, e resultados, como desejado.

[0077] Na ilustração representativa os dados a serem introduzidos nos sistemas e métodos são armazenados em dispositivo de armazenagem de dados 412. O computador do sistema 410 pode recuperar os dados apropriados a partir do dispositivo de armazenagem de dados 412 para realizar as operações de análises descritas aqui, de acordo com instruções de programa que correspondem aos métodos descritos aqui. As instruções de programa podem ser escritas em qualquer linguagem adequada de programação de computador ou combinação de linguagens, tais como C++, Java, MATLAB® e similares, e pode ser adaptada para ser operada em combinação com outros aplicativos de software tal como modelagem de formação comercial ou software de modelagem de perfuração. As instruções de um programa podem ser armazenadas em uma memória legível por computador tal como o dispositivo de armazenagem de dados de programa 414. O meio de memória que armazena as instruções de programa pode ser de qualquer tipo convencional utilizado para a armazenagem de programas de computador, que inclui acionamentos (drives) de disco rígido, discos flexíveis, CD-ROMs e outros meios óticos, fita magnética, e similares.

[0078] Embora as instruções de programa e os dados de entrada possam ser armazenados em, e processados pelo computador do sistema 410, os resultados das análises e métodos descritos aqui são exportados para utilização em aliviar vibrações. Por exemplo, os dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos de parâmetros de operações de perfuração podem existir em forma de dados no computador de sistema. O computador de sistema utilizando instruções de programa

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 38/102

35/88 pode utilizar modelos de domínio de frequência para gerar um ou mais índices de vibração. Os índices de vibração podem ser armazenados em qualquer um ou mais dispositivos de armazenagem de dados e/ou podem ser exportados ou utilizados de outra maneira para aliviar vibrações. Como descrito acima, os índices de vibração podem ser utilizados por um operador na determinação de opções de projeto, opções de plano de perfuração e/ou mudanças de operações de perfuração. Adicionalmente ou alternativamente, os índices de vibração podem ser utilizados pelo sistema de computador tal como para identificar combinações de parâmetros de perfuração que melhor aliviam vibrações sob dadas circunstâncias.

[0079] De acordo com a implementação representativa da figura 4, o computador de sistema 410 apresenta saída sobre mostrador gráfico 418 ou, alternativamente, através de impressora 420. Adicionalmente ou alternativamente, o computador de sistema 410 pode armazenar os resultados dos métodos descritos acima em dispositivo de armazenagem de dados 416 para utilização posterior análise adicional. O teclado 422 e o dispositivo de apontar (por exemplo, um mouse, TrackBall, ou similares) 424 podem ser fornecidos com o computador de sistema 410 para possibilitar operação interativa. Como descrito abaixo no contexto de índices de vibração tomados como exemplo, um mostrador gráfico de índices de vibração pode requerer duas três ou mais dimensões, dependendo do número de parâmetros que são variados para uma dada representação gráfica. Consequentemente, o mostrador gráfico 418 da figura 4 é representativo da variedade de mostradores de sistemas mostradores capazes de apresentar resultados tridimensionais e de quatro dimensões para visualização. De maneira similar, o dispositivo de apontar 424 e o teclado 422 são representativos da variedade de dispositivos de entrada de usuário que podem ser associados com o computador de sistema. A multiplicidade de configurações disponíveis para sistemas de computador capazes de implementar os presentes métodos impossibilita a descrição completa de todas as configurações práticas. Por exemplo, a multiplicidade de tecnologias de armazenagem de dados e de comunicação de dados disponível muda em base freqüente, impossibilitando descrição completa

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 39/102

36/88 delas. É suficiente observar aqui que inúmeros arranjos adequados de armazenagem de dados, processamento de dados, e tecnologias de comunicação de dados, podem ser selecionadas para a implementação dos presentes métodos, todos os quais estão dentro do escopo da presente divulgação.

[0080] A presente tecnologia pode incluir um programa de software que caracteriza de maneira gráfica o desempenho de vibração de um ou mais conjuntos de ferramenta de perfuração. Em algumas implementações, o programa de software irá caracterizar graficamente o desempenho de vibração ou tendência de um único projeto de configuração para um único modo de vibração. Em outras implementações o programa de software pode ser configurado para caracterizar de maneira gráfica o desempenho de vibração de diversos projetos simultaneamente e/ou diversos modos de vibração simultaneamente, como será mais bem descrito abaixo. As metodologias implementadas para caracterizar de maneira gráfica o desempenho de vibração em torção e axial incorporam uma estrutura comum com algumas diferenças. Por exemplo, a solução de linha base do modelo de vibração de torção requer entradas a partir da solução de linha base do modelo de vibração axial.

[0081] Como será descrito em maior detalhe abaixo, a entrada do programa de software consiste em introduzir faixas de diversos parâmetros de operações de perfuração tais como WOB, RPM densidade e viscosidade do fluido de perfuração e profundidade da broca, bem como diversos parâmetros de projeto de conjunto de ferramenta de perfuração, tais como dimensões do tubo e componentes, propriedades mecânicas, e as localizações dos componentes do conjunto de ferramenta de perfuração, tais como colares de perfuração, estabilizadores e tubo de perfuração. Em algumas implementações o programa também pode desenvolver e manter diversas configurações de projeto de conjunto de ferramenta de perfuração para finalidades de comparação. Diferentemente de outros modelos de domínio de frequência e que consideram um único furo de sondagem vertical, os presentes modelos também levam em consideração trajetórias de furo de sondagem complexas por meio de um plano de poço ou pesquisa de furo de poço, e permitem

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 40/102

37/88 especificação de condições limite na broca e na superfície, e valores “default” são admitidos se esses parâmetros não estão disponíveis. Os modelos têm uma estrutura flexível que pode ser acomodar fatores de atrito, amortecimento de lama, e elementos especiais no conjunto de ferramenta de perfuração tais como conexões de choque e motores de lama, que podem influenciar a resposta de vibração do conjunto de ferramenta de perfuração. Fatores de atrito dependentes de velocidade ao mesmo tempo ao longo do furo de sondagem e na broca também podem ser especificados como necessário, uma vez que estes podem impactar de maneira significativa a resposta de vibração.

[0082] A saída do programa de software pode consistir de uma variedade de mostradores de uma ou mais da solução de linha base calculada e dos estados próprios de frequência (por exemplo, deslocamento axial, tensão axial, ângulo de torção e torque) como uma função de um ou mais dos parâmetros de operações de perfuração (RPM, WOB, profundidade de broca, etc.), a distância até a broca e a configuração do projeto de conjunto de ferramenta de perfuração. O desempenho global pode ser avaliado utilizando um ou mais de uma variedade de índices e incluindo índices de vibração em torção e axial. Os mostradores que incluem plotagens setoriais em estado tridimensional detalhado são projetados para ilustrar as tendências de vibração de projetos alternativos em um sentido relativo para possibilitar a um engenheiro de perfuração selecionar o projeto preferido para as condições operacionais desejadas, em adição a identificar a faixa operacional preferida para um projeto individual. Fornecendo modelos e índices relacionados, aos comportamentos axial e de torção do conjunto de ferramenta de perfuração, os sistemas e métodos da presente divulgação complementam a metodologia de projeto de BHA existente baseada em dobramento lateral e procedimentos operacionais de perfuração existentes que incluem fluxos de trabalho conhecidos como “Fast Drill Process (FDP) (processos de perfuração rápida), alguns dos quais estão divulgados na Publicação de Patente US número 2008/0105424, que é aqui com isto incorporada para referência em sua totalidade.

[0083] Versões mais sofisticadas do modelo base com entradas adicionais

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 41/102

38/88 também podem ser utilizadas para construir índices de vibração absolutos que predizem comportamento de salto da broca e deslizamento aderente. Adicionalmente ou alternativamente, as tecnologias podem ser utilizadas no modo hindcast utilizando entrada adicional a partir de registros de perfuração. Em modo hindcast os diversos índices de vibração podem ser apresentados como trilhas em um registro, para facilitar a correlação entre o comportamento observado e os índices computados. Isto permite calibração de parâmetros anteriormente desconhecidos ou pobremente conhecidos e pode trazer luz para as causas de raiz de desempenho de vibração pobre, cada um dos quais pode conduzir a melhores projetos.

[0084] Alguns benefícios das presentes tecnologias comparados a modelagem com elementos finitos em escala completa são que esforço de computação menos significativo é necessário e que a maior parte dos parâmetros de entrada são facilmente disponíveis. As tecnologias permitem ao projetista identificar porque ocorre a disfunção de vibração e identificar projetos alternativos ou procedimentos operacionais que podem aliviar esta disfunção de vibração. Por exemplo, um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração afilada pode ser necessário para corresponder a uma restrição hidráulica. Se disfunção de vibração é predita para colunas com comprimentos longos e diâmetro menor do conjunto de ferramenta de perfuração, uma solução é desenvolver um programa de disparo e projeto de coluna afilada que reduza a probabilidade de iniciar uma disfunção de vibração para cada um das descidas de broca. Outra configuração ou mudanças operacionais ou ajustamentos podem ser identificados por operadores, engenheiros e projetistas, tendo o benefício dos presentes sistemas e métodos e índices associados.

[0085] Sem limitar seu escopo mais amplo, a presente divulgação também fornece exemplos de diversos índices de vibração, de como os índices podem ser apresentados, e de maneiras tomadas como exemplo para computar as funções de resposta linear a partir das quais os índices são derivados. Embora diversos índices relacionados à vibração de torção e axial estejam divulgados aqui abaixo, outros índices baseados em uma ou mais relações funcionais relacionadas a vibrações de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 42/102

39/88 torção e/ou axiais podem ser utilizadas dentro do escopo da presente invenção. [0086] MODELO BASE [0087] Como sugerido pela introdução, os presentes de sistemas e métodos utilizam um “modelo base” para desenvolver e/ou calcular a solução de linha base, a frequência em modo próprio e as funções de resposta linear dinâmica para um dado conjunto de parâmetros de entrada. O modelo base soluciona as equações de movimento para o conjunto de ferramenta de perfuração sob dada entrada de parâmetros de operações e condições de perfuração. As equações de movimento que governam a dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração em um furo de sondagem são bem conhecidas daqueles na técnica. Como é conhecido, as equações de movimento podem ser feitas tão complicadas ou tão simples como desejado, dependendo do número de relações físicas e interações que são consideradas pelas equações. Os presentes métodos e sistemas podem ser adaptados para aplicar a diferentes equações de movimento e/ou diferentes modelos base do que aquelas aqui apresentadas. Consequentemente, para finalidades de facilitar a explicação dos presentes sistemas e métodos uma formulação adequada de um modelo base está descrita aqui e outras estão dentro do escopo da presente divulgação.

[0088] Uma configuração esquemática de uma operação de perfuração está mostrada na figura 5. Um furo de sondagem 10 na terra 12 com uma trajetória particular é criado pela ação de uma broca de perfuração 14 no fundo de um do conjunto de ferramenta de perfuração16 que consiste de tubo de perfuração, colares de perfuração, e outros elementos. Perfurar é conseguido aplicando um WOB que resulta em um torque Tbit na broca quando o conjunto de ferramenta de perfuração é girado em uma velocidade angular [0090] 2π [0089] Drpm= _____________ [0091] (RPM) [0092] 60 [0093] A energia mecânica rotativa Ωρρμ.τμ é suprida para a broca e é consumida durante a ação de corte de rocha. O torque é fornecido por um equipamento de perfuração 18 na superfície 20, e distribuído pelo conjunto de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 43/102

40/88 ferramenta de perfuração16 para a broca de perfuração 14 na outra extremidade. O WOB é fornecido por carregamento gravitacional dos elementos do conjunto de ferramenta de perfuração. A aplicação do WOB força uma porção do conjunto de ferramenta de perfuração16 junto à broca de perfuração 14 em compressão.

[0094] Inúmeros fatores complexos influenciam a agressividade (taxa de geração de torque) e eficiência/rendimento (energia consumida para penetrar a rocha em relação à resistência da rocha) da broca de perfuração. Estes parâmetros da broca dependem fortemente de detalhes da geometria da broca, condição da broca (nova versus cega), hidráulica do fundo de furo, propriedades da rocha, etc. Os sistemas e métodos da presente divulgação não tentam predizer estes parâmetros, que são mensuráveis ou conhecidos em uma grande extensão durante operações de perfuração, porém os utilizam como entradas para analisar a resposta do conjunto de ferramenta de perfuração em excitações provocadas pela ação da broca.

[0095] A linha de centro do furo de sondagem vista na figura 5 atravessa uma curva em 3-D começando da superfície e se estendendo para fora até o fundo do furo que está sendo perfurado. A trajetória do furo de sondagem em comprimento de arco I desde a broca de perfuração em termos da inclinação e azimute como uma função de profundidade medida (MD), coordenadas globais (x, y, z) e locais (t, n, b) e a curvatura local do furo de sondagem b, podem ser descritas como:

t(Z) = -sen((9)sen(0)x -sen((9) cos(^)y + cos(#)z.

í/t

k. - — - ⁿ

- dl ^b b = tx n

Aqui, o vetor normal unitário n está no plano de dobramento local e perpendicular ao vetor tangente, enquanto o vetor unitário binormal b é perpendicular a ambos t e n. Os vetores x, y e z apontam para o leste, norte e para cima, respectivamente.

[0098] Conjuntos de ferramenta de perfuração podem ser considerados como a região de objetos esbeltos, unidimensionais e suas propriedades podem ser descritas de maneira efetiva como uma função de comprimento de arco s ao longo [0096] [0097] (1) (2) (3)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 44/102

41/88 de sua linha de centro no estado não tensionado, como apresentado de maneira esquemática na figura 6. A figura 6 ilustra, de maneira esquemática, uma seção ou segmento de um conjunto de ferramenta de perfuração 610 em ambas as condições, não tensionada 610 e em uma condição tensionada 610'. Na condição tensionada 610', o conjunto de ferramenta de perfuração é esticado e torcido em relação à condição não tensionada mencionada 610. As diferenças entre as condições tensionada e não tensionada estão discutidas mais abaixo. Para as finalidades dos presentes sistemas e métodos o conjunto de ferramenta de perfuração é admitido consistir de elementos ligados rigidamente extremidade com extremidade ao longo de um eixo comum de simetria em rotação, cada elemento tendo uma seção transversal uniforme ao longo de seu comprimento livre de dobra e torção em seu estado não tensionado. A descrição de cada elemento do conjunto de ferramenta de perfuração inclui informação a respeito do material (módulo de elasticidade E, módulo de cisalhamento G, densidade p) e propriedades geométricas (área A, momento de inércia I, momento de inércia polar J). Esta informação pode ser obtida tipicamente de descrições de conjunto de ferramenta de perfuração e especificações técnicas dos componentes do conjunto de ferramenta de perfuração.

[0099] Quando o conjunto de ferramenta de perfuração está no furo de sondagem, ele é restringido pelas forças impressas a ele pelas paredes do furo de sondagem, de tal modo que a sua forma segue de maneira aproximada a trajetória do furo de sondagem, a qual pode ser sinuosa em trajetórias de furo de sondagem complexas. A figura 7 ilustra, de maneira esquemática, uma disposição tomada como exemplo de um conjunto de ferramenta de perfuração 710 em um furo de poço 712. A figura 7 ilustra o conjunto de ferramenta de perfuração deslocado da linha de centro do furo de sondagem. Sem restringir o escopo da presente divulgação, algumas implementações tal como a implementação atualmente descrita, utilizam a aproximação de coluna macia ignorando os momentos de dobramento e admitindo que a trajetória do conjunto de ferramenta de perfuração segue exatamente a linha de centro do furo de sondagem que força o deslocamento lateral u = 0. Para este caso, a configuração do conjunto de ferramenta de perfuração pode ser definida

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 45/102

42/88 exclusivamente em termos de um alongamento axial total ou um estiramento h(l) = Is(l), e ângulo de torção total ou torção, (I). É admitido que o furo de sondagem exerce as forças necessárias para manter o conjunto de ferramenta de perfuração em equilíbrio lateral ao longo de todo o comprimento. Sem ser limitado pela teoria, a suposição de coluna macia é atualmente acreditada ser uma admissão razoável para a porção do tubo de perfuração do conjunto de ferramenta de perfuração, porém pode não ser tão razoável para a porção BHA do conjunto de ferramenta de perfuração. Além disto, atualmente é entendido ser possível melhorar a precisão do modelo utilizando um modelo de coluna rígida e solucionando momentos de dobramento no BHA possivelmente ao longo de todo o conjunto de ferramenta de perfuração, se necessário. Exemplos de tais modelos foram divulgados pelo menos em “Drillstring solutions improve torque-drag model”, Robert F. Mitchell, SPE 112623. A utilização de tais melhoramentos no modelo base estão dentro do escopo da presente divulgação. Por exemplo, embora algo da discussão aqui irá fazer referência a suposições relacionadas a equações que podem ser simplificada ou solucionadas utilizando esta aproximação de coluna macia, qualquer uma ou mais destas suposições podería ser substituída utilizando modelos apropriados de coluna rígida.

[00100] Em algumas implementações o modelo base preferido considera o movimento do conjunto de ferramenta de perfuração enquanto ele está girando em uma profundidade de broca particular (BD), WOB, e velocidade de rotação nominal. A restrição de deslocamento lateral deixa somente dois graus cinemáticos de liberdade para o conjunto de ferramenta de perfuração: estiramento h. e torção. Como introduzido acima, a figura 6 ilustra um segmento esquemático de um conjunto de ferramenta de perfuração 610 em ambos: em um estado não tensionado 610 e um estado tensionado 610'. A figura 6 ilustra o estiramento h em 612 representativo do alongamento a partir do estado não tensionado para o estado tensionado. De maneira similar, a figura 6 ilustra a torção em 614 representativa do grau de rotação ou torção da extremidade livre sob a condição tensionada 610'. O movimento global do conjunto de ferramenta de perfuração pode ser descrito por:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 46/102

43/88 = A) (0(Λ 0, ^(ΛΟ= (4) [00101] ¢0 α(Μ = n_ftp_MZ + cr₀(/) + âf^_í(/j\ a^(lj) = j a άω, (5) [00102] [00103] onde ho e ao representam a solução de linha base - a quantidade de estiramento de torção presente no conjunto de ferramenta de perfuração quando ele está girando de maneira suave e hdyn e adyn representam as soluções para o movimento dinâmico do conjunto de ferramenta de perfuração em relação à solução de linha base. O modelo considera apenas pequenos desvios ao redor da solução de linha base permitindo movimentos dinâmicos em diferentes frequências a serem desacoplados um do outro.

[00104] Os movimentos do conjunto de ferramenta de perfuração são acompanhados por tensão interna T e torque τ, que podem ser da mesma maneira descrito como:

QC·

7(/,0 = 7,(/) + 7^(/,0, 7^(/,0= fr,(/)e-^</«, (6) —50 t(7,í) = -4 = r_Aw(/,í) = í(7) [00105] [00106] onde Tdyn e Tdyn representam as soluções para o movimento dinâmico do conjunto de ferramenta de perfuração em relação à solução de linha base. No regime elástico linear e dentro da aproximação de coluna macia estes são fornecidos em termos da configuração do conjunto de ferramenta de perfuração como:

dh

T = EA— da τ — G./--[00107] dl [00108] Os elementos do conjunto de ferramenta de perfuração são também submetidos a uma variedade de forças externas fbody e torques 0body de por unidade de comprimento, que afetam seu movimento. A equação de movimento axial é (9)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 47/102

44/88 obtida equacionando a força axial líquida à força associada com a aceleração axial do elemento massa:

[00109] = T + t _h [00110] onde t é o vetor unitário ao longo da direção tangente. A equação de torção do movimento é obtida equacionando o torque líquido ao longo do vetor tangente ao movimento de torção vezes a aceleração angular do elemento:

[00111] = + [00112] Na junção de dois elementos do conjunto de ferramenta de perfuração, o estiramento h e torção α são contínuos. Uma vez que nenhuma força concentrada ou torque estão presentes a tensão T e o torque τ são também contínuos através destes limites. As equações diferenciais parciais (PDEs) equações 10 e 11, juntamente com relações constitutivas, equações 8 e 9, e forças externas e torques, descrevem completamente a dinâmica ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração, uma vez que condições limites apropriadas estejam especificadas nas extremidades do conjunto de ferramenta de perfuração.

[00113] FORÇAS EXTERNAS E TORQUES [00114] Continuando com a discussão de uma implementação atualmente preferida, três tipos de forças externas f e torques Θ são considerados gravitacionais (f_g, 0_g), lama (fmud, 0mud) e furo de sondagem (fbh, 0bh). A força e torque do corpo Nas equações 10-11 é uma soma composta destas três forças e torques e está descrita nas equações 12 e 13:

⁼ fmud f6Λ ⁺ , [00115] ^{_ +} θί* ⁺ .

[00116] Esforços de modelagem convencionais reconheceram a relevância de forças gravitacionais no conjunto de ferramenta de perfuração e tentaram incorporar a gravidade no modelo. Contudo, a capacidade de considerar de maneira precisa o impacto de forças gravitacionais que atuam no conjunto de ferramenta de perfuração em uma trajetória de furo de poço complexa, foi limitada pela incapacidade dos modelos precedentes em reconhecer ou considerar as forças externas e torques (10) (11) (12) (13)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 48/102

45/88 adicionais.

[00117] Forças gravitacionais estabelecem o perfil de tensão característico ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração que ainda afetam torque, arraste e dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração. A força gravitacional por unidade de comprimento que atua sobre um elemento é:

[00118] ⁼ , (14) [00119] onde z é um vetor unitário que aponta para cima e que leva em consideração a flutuação associada com densidade da lama p_mud. Uma vez que os elementos têm um eixo de simetria, nenhum torque é gerado por gravidade: 0_g = 0.

[00120] Durante operações de perfuração a lama de perfuração cisalha contra ambos, o lado de dentro e o lado de fora do conjunto de ferramenta de perfuração, e cria forças fmud, e torques 0mud por unidade de comprimento que resistem a movimento. Na ausência de movimento lateral de acordo com as restrições descritas acima, nenhuma força lateral é gerada pela lama. Também, qualquer torque que não está ao longo da tangente local será anulado por torques do furo de sondagem, de modo que precisamos somente considerar o componente de torque ao longo do trecho do vetor tangente. As forças de lama e torques são então obtidos como

Jrrwjtf (15) [00121] **** (16) [00122] Estas forças e torques podem ser separadas em um porção de estado constante associada com a rotação em estado constante do conjunto de ferramenta de perfuração e circulação da lama em pressão média da bomba, e uma porção dinâmica associada com variações dinâmicas na pressão da lama e movimento relativo do conjunto de ferramenta de perfuração em relação ao estado constante. [00123] Para as finalidades da implementação atualmente descrita é admitido que as forças do furo de sondagem dominam o equilíbrio da força de estado constante. As diferenças de carga de enganchamento entre bombeamento para fora e bombeamento para dentro e os efeitos de cursos de bomba de lama e componentes

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 49/102

46/88 ativos tais como sistemas MWD que geram forçadas axiais são admitidos serem desprezíveis nesta modalidade tomada como exemplo. Estas suposições simplificam a solução, porém não são requeridas para a implementação dos presentes sistemas e métodos. Os únicos efeitos de lama que o modelo leva em consideração são aqueles associados com o movimento dinâmico do conjunto de ferramenta de perfuração em relação à sua rotação em estado constante. Uma vez que movimentos axial e de torção dos elementos não deslocam qualquer lama, seu efeito principal é criar um movimento de cisalhamento da lama adjacente à superfície do conjunto de ferramenta de perfuração e amortecer vibrações dinâmicas ao redor do estado constante.

[00124] Pode haver diversos modelos dinâmicos possíveis do sistema de lama que podem ser considerados estarem dentro do escopo deste modelo. Por exemplo, uma ou mais das suposições descritas acima podem ser feitas de maneira diferente alterando com isto a formulação do modelo. Um exemplo de um modelo dinâmico adequado do sistema de lama compreende superposição dos efeitos dinâmicos do sistema de lama na solução de linha base utilizando um modelo para tensão de cisalhamento em um plano infinito. A amplitude da tensão de cisalhamento que atua em um plano infinito imerso em um fluido viscoso e que sofre um movimento oscilatório paralelo à sua própria superfície em uma frequência angular ω é dada por:

[00125] [00126] onde 3ω é a amplitude do deslocamento do movimento plano, p_mUd é a (17) densidade da lama, j é um número imaginário, e δω é a profundidade dependente de frequência de penetração é fornecida por:

[00127] ~ , [00128] onde q_Pt é a viscosidade plástica da lama de perfuração sob condições de bombeamento para dentro.

[00129] Para as viscosidades plásticas típicas de lama q_Pt, densidades p_mud, e frequências ω de interesse, a profundidade de penetração é pequena comparada (18)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 50/102

47/88 com os raios interior e exterior do elemento; δω « ID, OD. O termo viscosidade plástica da lama não é restringido ao modelo Bingham e pode ser facilmente generalizado para incluir outros modelos reológicos nos quais o termo viscosidade varia com RPM. No limite de alta frequência a equação 17 pode ser utilizada para aproximar a tensão de cisalhamento sobre um objeto anelar. Para movimento axial na frequência ω este termo resulta em uma força axial relacionada à lama por unidade de comprimento:

[00130] [00131] onde a amplitude de deslocamento axial é fornecida por 3ω = h_w. De maneira similar o torque unitário por unidade de comprimento associado com oscilações de torção é fornecido por

IP ~2 ( OD [00132] [00133] onde as amplitudes de deslocamento de torção em ID e OD são fornecidas por 3ω (ID) = α_ω .ID/2 e 3ω (OD) = α_ω .OD/2, respectivamente. A força de lama total para um movimento genérico pode ser obtida adicionando sobre todas as frequências.

[00134] Voltando agora para as forças do furo de sondagem, as paredes do furo de sondagem exercem forças e torques que mantém o conjunto de ferramenta de perfuração ao longo da trajetória do furo de sondagem. O modelo atualmente descrito admite que cada elemento tem contato contínuo com o furo de sondagem consistente com a aproximação de coluna macia, e que nenhuma força concentrada está presente. Outros modelos que podem ser implementados dentro do escopo dos presentes sistemas e métodos podem fazer suposições diferentes. Por exemplo, como discutido acima, outros modelos podem utilizar aproximações de coluna rígida para algo ou todo do conjunto de ferramenta de perfuração. Continuando com o modelo descrito atualmente que utiliza a aproximação de coluna macia, a situação em uma dada posição de furo de sondagem i está delineada na figura 8. A figura 8 ilustra de maneira esquemática uma vista em seção transversal de um conjunto de ferramenta de perfuração810 que gira em uma maneira horária sob condições de (19) (20)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 51/102

48/88 aproximação de coluna macia e com eixos de acordo com a descrição e ilustração da figura 5. O contato está localizado em algum lugar ao longo da circunferência do elemento e r_c indica o vetor que conecta a linha de centro ao ponto de contato dentro do plano normal local, cuja magnitude r_c é igual à metade do “torque OD” do elemento. A força do furo de sondagem por unidade de comprimento fbh pode então ser decomposta em componentes axial, radial e tangencial como a seguir:

[00135] ^Ξ^^{, + ί}·· = /^+/,(‘^XÇ)/^- (21) [00136] Aqui uma convenção de sinal é utilizada de tal modo que f_r e f_T sejam sempre positivos, desde que o conjunto de ferramenta de perfuração gire em uma maneira horária quando visto de cima. f_n é a força total do furo de sondagem no plano normal com magnitude f_n.

[00137] Quatro equações são necessárias para determinar os três componentes de força e a direção de r_c no plano normal local. Uma vez que nenhum movimento lateral é permitido na implementação atualmente descrita, impor um equilíbrio de força no plano normal local produz duas equações. Coletar forças do furo de sondagem de um lado da equação e notando que não há forças de lama laterais presentes, proporciona:

[00138] ·>(22) [00139] Em seguida, forçar atrito de Coulomb contra a parede do furo de sondagem com um ângulo de atrito ip_c fornece duas equações adicionais,

(23) [00140] //+Λ' - ^tan2^c/r (24) [00141] Em geral ip_c pode ser uma função da velocidade relativa

Γ/2” Γ [00142] “V* ^{+a r}c [00143] do elemento em relação ao furo de sondagem. A dependência do ângulo de atrito ip_c na velocidade relativa do elemento v_rei com relação ao furo de sondagem pode ser expressa em termos de uma derivada logarítmica:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 52/102

49/88 δ In sen (íV [00144] [00145] dsen0/_c sen y_c dv^i

Um valor negativo para C_M representa uma redução de atrito com (25) velocidade crescente, o que pode ser referido como um atrito de enfraquecimento de velocidade. Tal situação pode ter um impacto significativo na estabilidade de vibrações de torção e comportamento de deslizamento aderente do conjunto de ferramenta de perfuração. A equação 25 representa uma maneira na qual uma relação de amortecimento dependente de velocidade pode ser incorporada nos modelos utilizados nos presentes sistemas e métodos. Outras equações e/ou relações podem ser incorporadas como apropriado.

[00146] A restrição em movimento lateral também implica que não há torque líquido no plano normal local, de modo que qualquer torque aplicado que não esteja ao longo do vetor tangente será anulado pelo furo de sondagem. Assim, as equações de movimento são obtidas considerando o componente de torque que está ao longo da direção tangente local, o qual é responsável por girar o conjunto de ferramenta de perfuração. Este componente de torque por unidade de comprimento exercido pelo furo de sondagem é fornecido por [00147] [00148] [00149] (26)

SOLUÇÃO DE LINHA BASE

A solução de linha base é uma solução particular das equações de movimento que corresponde à ação em uma profundidade de broca particular, peso sobre a broca, e velocidade de rotação do conjunto de ferramenta de perfuração especificada, que resulta em uma velocidade de penetração. As equações de movimento são então linearizadas ao redor desta solução de linha base para estudar desvios harmônicos a partir desta solução de linha base. O objetivo é simplificar o problema de vibrações a partir de uma PDE não linear que descreve todo o movimento do conjunto de ferramenta de perfuração para um conjunto de equações diferenciais ordinárias lineares (ODEs) que são desacopladas de cada frequência para as quais existem métodos de solução muito eficientes. Uma solução está descrita abaixo, que é baseada nas equações de movimento explicadas acima.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 53/102

50/88

Como descrito acima, uma variedade de equações poderíam ser utilizadas para descrever o movimento do conjunto de ferramenta de perfuração considerando a multiplicidade de relações de interações no furo de sondagem. Soluções de linha base dentro do escopo do presente sistema e métodos podem ser desenvolvidas utilizando equações de movimento diferentes daquelas descritas acima, cujas soluções podem ser mais ou menos complexas do que aquelas apresentadas aqui abaixo, dependendo das equações de movimento subjacentes selecionadas.

[00150] Na solução de linha base cada ponto ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração tem uma velocidade para baixo constante igual ao ROP. Desvios neste movimento são muito pequenos sobre os perfis de vibração típicos de interesse (perfuração suave sem vibração); daí estes serão ignorados durante este movimento constante para baixo. O conjunto de ferramenta de perfuração também gira em uma velocidade angular constante ditada pela RPM imposta. Também é admitido que RPM positiva corresponde a uma votação no sentido horário do conjunto de ferramenta de perfuração quando visto a partir de cima. A solução de linha base pode ser descrita como:

A(/j) = ^(/), (27) [00151] + üf₀(Z), (23) [00152] tal que o deslocamento de linha base ho e torção ao não mudam com o tempo. A partir de relações constitutivas equações 8-9 segue-se que a tensão de linha base To e torque το também não mudam com o tempo e são função de posição I somente. O índice 0 é usado para indicar os valores de linha base de todas as variáveis e parâmetros.

[00153] Primeiro as forças axiais e deslocamentos são obtidos. Substituindo a equação 27 no critério de Coulomb, equação 23, é visto que fao=O. Isto é, o furo de sondagem não exerce quaisquer forças axiais sobre o conjunto de ferramenta de perfuração. Então a solução de linha base axial para o conjunto de ferramenta de perfuração composto baseado nas equações 8 e 10 e condições limite na broca (To(O) = -WOB, ho(O)=O) podem ser computadas a partir de:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 54/102

51/88 ^ = (ζ>-^Λ·46Ο50, dl (29)

-37 = 77^Γο’ (30) [00154] dl EA [00155] Em seguida, a força tangencial do furo de sondagem é obtida utilizando as equações 21 e 24 admitindo que não há qualquer força axial do furo de sondagem:

[00156] ^{= sen t//co} - (31) [00157] Isto possibilita computação da torção e torque de linha base ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração utilizando as equações 9 e 11, ignorando a contribuição do torque de lama 0mud para o torque de linha base. O resultado é outro conjunto de ODEs de ordem:

^^Γ0 r — = (32) da_n 1 = (33) [00158] dl GJ [00159] Com base nas condições limite na broca (to(O) = Tbit, αο(Ο)=Ο), a solução de linha base para torção e torque pode ser obtida por meio de integração como no caso axial. Em geral, 0 torque gerado na broca não pode ser controlado de maneira independente do WOB; as duas quantidade são relacionadas através da agressividade da broca.

[00160] O presente modelo relaciona o torque na broca ao WOB através de um coeficiente empírico de atrito da broca pb.

= »'OB [00161] [00162] O modelo utiliza o parâmetro de entrada pb para computar a solução de (34) linha base. O torque na broca entra na solução do torque de linha base somente de maneira aditiva e não influencia a resposta linear dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração; está aí principalmente para possibilitar a calibração do modelo com medições de superfície.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 55/102

52/88 [00163] Para a implementação numérica deste esquema de solução, o modelo interpola a inclinação cos0 e curvatura kb a partir de pontos de pesquisa para o ponto médio de cada elemento. As expressões A, E e p são constantes como peça sobre cada elemento de conjunto de ferramenta de perfuração. Também o estiramento dos elementos do conjunto de ferramenta de perfuração são ignorados durante a integração onde é admitido di=ds. Uma vez que todas as outras propriedades do conjunto de ferramenta de perfuração são constantes dentro de cada elemento, a solução em cada limite de elemento é obtida aplicando as seguintes somas recursivas:

= ^Tüj-i + -Pwd T_(i0 = —WOB, ~ ⁺ 7),1-1/2’ ~ θ’

TA = ^(^1) = ^0,/-1 + ^senÍ^ÍO,f> ^ri),o ^{= T}Ídl >

) = ^0,/-1 ⁺ /2’ ^11,0= θ’ [00164] ^uí^ji [00165] Onde koj é a força de furo de sondagem do i-ésimo elemento do conjunto de ferramenta de perfuração, Toj-1/2 é a tensão média aritmética dos (i-l)ésimo e iésimo elementos do conjunto de ferramenta de perfuração, e Toj-1/2 é o torque médio aritmético dos (i-1) ésimo e i-ésimo elementos do conjunto de ferramenta de perfuração. Observar que a tensão ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração é necessária para todas as computações na implementação acima e é a primeira quantidade a ser computada.

[00166] EQUAÇÕES HARMÔNICAS DE ONDA [00167] Tendo computado a solução de linha base para uma profundidade de broca particular, WOB, e RPM, pequenos movimentos hdyn e adyn de um elemento individual podem ser calculados ao redor desta solução juntamente com as forças associadas (Tdyn) e torques (Tdyn) para modelar as vibrações do conjunto de ferramenta de perfuração.

[00168] Começando com as equações axiais, a mudança na força axial do furo de (35) (36) (37) (38)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 56/102

53/88 sondagem é obtida rearranjando a equação 23 para ordem linear em variáveis dinâmicas como.

[00169] [00170]

Λ - J(-jn^e-^dn· (39) Substituindo a equação 4 na equação 10, multiplicando ambos os lados

por exp(jwt)/2rr, integrando no tempo e utilizando as equações 19 e 39 produz:

[00171]

- pA ά>· [1 + (1 + / Jà_íirrfij + - EA [00172] para cada componente de frequência ω onde [00173] [00174] e [00175] (40) .f fíO ^sen /j/í [00176] Esta ODE linear de segunda ordem tem a seguinte solução:

[00177]

V) = U^A' + (41) [00178] onde hcou e h_0Jd são constantes arbitrárias que representam a amplitude complexa de ondas axiais que viajam para cima e para baixo ao longo dos elementos do conjunto de ferramenta de perfuração, respectivamente. O vetor onda associado k_a na frequência ω é fornecido por:

= )' Φ ⁺ (42) [00179] [00180] Na ausência de efeitos de lama e de furo de sondagem, esta relação de dispersão se reduz à onda longitudinal não dispersiva ao longo de uma haste uniforme. Mesmo quando os efeitos de lama e furo de sondagem estão presentes, eles tendem a ser relativamente pequenos. Em algumas implementações os efeitos de lama e de furo de sondagem foram observado serem suficientemente pequenos para resultar em uma onda aproximadamente não dispersiva, fracamente amortecida ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração. Embora os efeitos de lama e de furo de sondagem possam ser relativamente pequenos os presentes sistemas e métodos são capazes de incorporar estes efeitos nos modelos de domínio de frequência tal como através da relação de amortecimento dependente de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 57/102

54/88 velocidade. Consequentemente, os presentes sistemas e métodos são mais capazes para levar em consideração cada uma das forças aplicadas ao sistema e possibilitar a operadores projetar e planejar mais próximo das margens onde ganhos de eficiência podem ser conseguidos de maneira mais dramática. Devido aos grandes comprimentos de onda associados com a faixa de frequência de interesse, estas ondas tipicamente viajam ao longo de todo o conjunto de ferramenta de perfuração. A amplitude de tensão correspondente é fornecida por:

T.(D = EA^ - jk.EA^·¹ [00181] ¹ [00182] O estado da onda axial em cada frequência é exclusivamente descrito por (43) hoot! e hood. Contudo, ao invés disso, é mais conveniente representar o estado da onda axial pelo deslocamento axial hco e tensão Τω, uma vez que estes devem ser contínuos através de limites do elemento. A expressão modificada é obtida combinando as equações 41 e 43 em forma de matriz nas duas extremidades (localizações I e l-L) de um elemento de comprimento L.

[00183] [00184]

		e-^J‘^J			'p-h
SM.		β.ΕΑβ“··>	-Jk.EAe'¹*·'¹ _	jk_aEAe^^(!-^L)	- jk_aEAe^-^L}	7.('-Q

Assim, como uma primeira etapa na obtenção da resposta dinâmica do (44) conjunto de ferramenta de perfuração em uma dada frequência ω, o presente modelo computa a matriz transferência para cada elemento:

[00185] [00186]

onde kaj é obtido utilizando as equações 42 e 18. Para uma vibração axial (45) nesta freqüência o vetor estado entre quaisquer dois pontos ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração pode ser relacionado um ao outro através de produtos destas matrizes de transferência:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 58/102

55/88

tn < η (46) [00187] [00188] A matriz de transferência equação 46 pode ser utilizada para relacionar o estado de vibração axial em qualquer lugar ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração para, por exemplo, o estado na extremidade de superfície do conjunto de ferramenta de perfuração. Contudo, para solucionar para a resposta do conjunto de ferramenta de perfuração a uma excitação particular, é necessário especificar a relação entre o deslocamento e amplitudes de tensão na superfície. Além disto, não muito trabalho foi realizado na identificação da resposta de um equipamento de perfuração para vibrações axiais e de torção. Esta relação é necessária para impor de maneira correta condições dinâmicas limites na superfície. A condição limite a mais simples é admitir que o equipamento é axialmente rígido e tem controle de

RPM perfeito, de tal modo que [00189] ^Ξ = 0, ~ a^MD) = 0, ₍₄₇) [00190] onde MD indica a posição do equipamento ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração. Em geral um equipamento deveria ter complacência finita contra os modos axial e de torção. A resposta de um equipamento de perfuração é dependente do tipo e configuração do equipamento e pode mudar rapidamente quando a frequência do modo de vibração varre através de um modo ressonante do equipamento. A resposta do equipamento de perfuração pode se ser modelado e incorporado nos presentes sistemas e métodos, em uma variedade de maneiras, inclusive a abordagem descrita abaixo.

[00191] A figura 9 através das figuras 9A e 9B e 9C apresenta três diagramas esquemáticos de corpo livre para ajudar a ilustrar a mecânica do movimento axial. Para o caso de movimento axial o conjunto de ferramenta de perfuração pode ser admitido ser preso de maneira rígida ao bloco de acionamento superior, o qual pode ser aproximado como uma massa pontual grande Mrig. Este bloco está livre para mover para cima e para baixo ao longo de elevadores, e é mantido no lugar por inúmeros cabos que carregam a carga do gancho. Existem também presentes

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 59/102

56/88 algumas forças de amortecimento, as quais são admitidas serem proporcionais à velocidade do bloco. Assim para vibrações de pequena amplitude uma simples representação da dinâmica deste sistema é uma massa-mola-amortecedor presa a uma extremidade rígida, com uma mola associada com os cabos de levantamento e um amortecedor que representa o amortecimento, como mostrado na figura 9A. Aqui Thook reflete a força para cima exercida no bloco pelo equipamento incluindo a mola e a força de amortecimento. O diagrama de corpo livre para a solução de linha base está mostrado na figura 9B. Impor equilíbrio de forças para a solução de linha base produz:

[00192] (MD) + g.

[00193] O comprimento do cabo de levantamento é ajustado para alcançar a carga de gancho desejada; portanto, a posição do deslocamento axial de linha base é imaterial e não é necessário computar a solução de linha base. Contudo, este comprimento estabelece a posição de equilíbrio da mola. Quando a massa do bloco move para longe da posição de linha base, uma força líquida é exercida sobre ela pelo conjunto de ferramenta de perfuração e o equipamento. O diagrama de corpo livre para movimento de linha base está mostrado na figura 9C. A carga dinâmica no (48) gancho é fornecida por:

T = -k h -v h [00194] ¹ ^nà f ng ^L [00195] A equação de movimento de Newton para a massa do bloco produz a seguinte relação entre amplitudes de vibração em cada frequência:

------- - = -T^ + = -T_ríe„ - - jvy_ris Χ.^.

(49) [00196] [00197] Assim, a complacência axial do equipamento com base em uma estrutura de referência fixada no equipamento é fornecida por:

ω - = _u '----—Esta quantidade mede a quantidade de movimento axial da massa do (50) [00198] [00199] bloco e irá apresentar uma força axial unitária em uma frequência particular ω. Ela é (51) uma função complexa avaliada cuja magnitude fornece a relação da magnitude de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 60/102

57/88 deslocamento para magnitude de força, e cuja fase fornece o atraso de fase entre a função de forçamento e o deslocamento resultante.

[00200] A conhecida e necessários resposta dinâmica do sistema massa-mola-amortecedor é bem somente será descrita de maneira resumida. Três parâmetros são para descrever completamente este modelo simples rígido de equipamento. A massa do bloco é tipicamente avaliada a partir da leitura da carga do gancho sem qualquer conjunto de ferramenta de perfuração ligado. A constante da mola pode ser avaliada a partir do comprimento, número e área de seção transversal dos cabos de levantamento. Estes dois parâmetros definem uma frequência característica do equipamento ng [00201] [00202] para a qual o deslocamento do bloco está defasado 90 ° da força dinâmica, A severidade da resposta do equipamento nesta frequência é controlada pelo coeficiente de amortecimento do equipamento; amortecimento critico ocorre para Yhg = Ycrit = 2Mrig Wrig. Uma vez que a frequência do equipamento e a quantidade de amortecimento relativas ao amortecimento crítico é mais intuitiva é mais fácil de observar, o modelo corrente utiliza Mrig e corig e Yrig/Ycrit como entradas para computar a resposta dinâmica. O limite “equipamento-rígido” na equação 47 pode ser recuperado considerando o limite corig onde a complacência se desfaz. Neste limite a extremidade do equipamento não move a despeito da tensão no conjunto de ferramenta de perfuração.

[00203] Em geral, a resposta dinâmica do equipamento é muito mais complicada. Contudo, toda a informação que é necessária para analisar a resposta de vibração está embutida na função complacência, e a estrutura do modelo fornece uma maneira fácil de incorporar tais efeitos. Se desejado, é possível fornecer um modelo com qualquer função complacência possivelmente obtida de dados de aceleração e deformação a partir de uma conexão de medição.

[00204] Como uma matéria prática, complacência efetiva do equipamento irá variar com a altura do bloco viajante e o comprimento e número de cabos entre o bloco porta-polias e o bloco viajante. Na perfuração de um poço a altura do bloco

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 61/102

58/88 viajante varia de maneira contínua quando uma junta ou trecho de tubo perfurou para baixo e a próxima seção é presa para continuar o processo de perfuração. Também, o número de tais passes de cabos pode variar quando muda a carga de perfuração. O convés e piso do equipamento é uma estrutura complexa que tem probabilidade de ter diversas ressonâncias que podem ter interações com a frequência natural variável do equipamento viajante. Por estas razões, em adição a uma ressonância bem definida com massa especificada, rigidez e amortecimento, e em adição ao limite “equipamento rígido” ou, alternativamente, um equipamento completamente complacente, está dentro do escopo desta invenção considerar que o sistema de superfície pode estar próximo à ressonância para qualquer velocidade de rotação sob consideração. Então, configurações preferidas e condições operacionais podem ser identificadas como tendo valores índices preferidos a despeito de possíveis condições de ressonância no equipamento de superfície de equipamento.

[00205] As equações 46 e 51 podem ser combinadas para obter a resposta de vibração em qualquer lugar ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração associada com amplitude de força unitária na superfície:

[00206] [00207]

Devido à linearidade das equações, o movimento dinâmico real do (52) conjunto de ferramenta de perfuração em um dado ponto é fornecido por uma superposição linear deste vetores de estado com diferentes amplitude em diferentes frequências. O interesse principal será a resposta linear dinâmica do sistema a excitações em um dado ponto ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração. A resposta do sistema para diversas excitações pode, da mesma maneira, ser analisada utilizando o princípio de superposição.

[00208] Definindo o desempenho de vibração do conjunto de ferramenta de perfuração, a quantidade primária de interesse está descrita pela maneira que ele responde em diferentes frequências provocadas pela broca de perfuração. A

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 62/102

59/88 complacência efetiva do conjunto de ferramenta de perfuração na broca pode ser definida como:

[00209] [00210] que é fornecida pela relação dos elementos (equação 52), na broca. Funções genéricas de resposta linear que relacionam amplitudes em diferentes posições ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração também podem ser definidas.

[00211] Voltando agora para as equações de torção, a metodologia utilizada para obter as expressões para ondas de torção é similar àquela descrita acima para ondas axiais. Como sugerido acima e através de tudo, embora equações particulares sejam fornecidas como equações e expressões tomadas como exemplo, a metodologia utilizada para obter estas equações e expressões está incluída no escopo da presente divulgação a despeito das equações de partida selecionadas, condições limite, e outros fatores que podem variar a partir das implementações descritas aqui. Similar à metodologia utilizada para ondas axiais, o torque dinâmico associado com as forças do furo de sondagem são computadas utilizando a restrição de movimento lateral e o critério de Coulomb. Expandindo o equilíbrio de força lateral para a ordem linear em variáveis dinâmicas e eliminando os termos de linha base para obter:

[00212] [00213] Para ordem linear, a mudança no coeficiente de atrito instantâneo pode ser obtida utilizando a equação 25:

Ω ^Λ * PJ>J

2 sen. = sen [00214] [00215] Assim, expandir a equação 24 para ordem linear e eliminando termos da (53) (54) (55) linha base produz:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 63/102

60/88

Ao/rJwr “ ZroA.rf>w ^Sen i^CO ⁺ Ao ^S™ q ' (56) [00216] [00217] 0 torque de furo de sondagem associado com cada componente de frequência de torção é = rj/z = ^sen - MA ^sen. (57) [00218] [00219] A variação dinâmica na tensão, associada com ondas axiais acopla de maneira linear ao torque dinâmico na seção encurvada do furo de sondagem. O modelo presente desacopla de forma corrente estes efeitos e explora modos axial e de torção de maneira independente. O desacoplamento é realizado ajustando a tensão Tdyn para zero ao analisar modos de torção.

[00220] Para cada componente de frequência substituir estes na equação de movimento de torção, equação 11, e eliminando termos de linha base produz:

[00221] , e/r = --Γ dl fES+orF ‘ r

RPM (58) [00222] Esta equação pode ser rearranjada para produzir [00223]

- ρίω² [1 + (1+ + K = = _Gj Ll d! dr [00224] Onde

p. + ^OD' K ^=^-----... [00226] e [00225] ^P [00227] (59) ^rcÁa^sen^cü ^CAo /1/ [00228] esta equação tem exatamente a mesma forma que a equação axial com a solução:

[00229] ^(/)^— ’ (60) [00230] Onde o vetor onda associado k_T na frequência ω é fornecido por:

kr - i' V- ⁺ í^{1 + +} -/^·ω_1Γ · (61) [00231] ^^Gip [00232] Na ausência de efeitos de lama e de furo de sondagem esta relação de dispersão se reduz à onda de torção não dispersiva bem conhecida ao longo de uma

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 64/102

61/88 haste uniforme. Uma vez novamente, o amortecimento de furo de sondagem e lama é tipicamente relativamente pequeno resultando em uma onda fracamente amortecida, aproximadamente não dispersiva ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração. Estas ondas tipicamente viajam ao longo de todo o conjunto de ferramenta de perfuração ao invés de apenas no conjunto de fundo de furo. Uma diferença significativa é que o amortecimento efetivo associado com o furo de sondagem pode ser negativo quando a lei de atrito tem características de enfraquecimento de velocidade, isto é, Cp<0. Isto tem implicações importantes para comportamento de deslizamento aderente do conjunto de ferramenta de perfuração. [00233] Como discutido acima, as relações de amortecimento dependentes de velocidade incorporadas nos modelos dos presentes sistemas e métodos fornecem modelos que são mais confiáveis e mais precisos do que modelos precedentes. Mais especificamente, foi observado que o efeito de amortecimento de lama aumenta com velocidade crescente enquanto o efeito de amortecimento de furo de sondagem diminui com velocidade crescente. Consequentemente, em algumas implementações, modelos que incorporam ambos, efeitos de lama e efeitos de furo de sondagem podem ser mais precisos do que modelos que negligenciam estes efeitos. Embora os efeitos de lama e efeitos de furo de sondagem possam ser relativamente pequenos, a modelagem apropriada destes efeitos irá aumentar a precisão do modelo para possibilitar perfuração em condições otimizadas. Uma vez que os custos de operações de perfuração e os riscos e custos associados com problemas são tão elevados mal entendidos nas operações de perfuração sejam por super predição ou sub predição podem resultar em impactos econômicos significativos nas operações, tais como dias adicionais de perfuração ou operações adicionais para recuperar de complicações.

[00234] A amplitude de torque é fornecida por [00235] ^r.(D = C-I-^ = wh - ) tf!

(62) [00236] Como no caso axial, o formalismo da matriz transferência pode ser utilizado para relacionar amplitudes de torção e torque nas duas extremidades de um

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 65/102

62/88 elemento:

[00237]

cos(A_r£) *_fG/sen(M')

(63) [00238] O restante da formulação de torção segue de maneira precisa o caso axial com a substituição apropriada de variáveis e parâmetros. A complacência de torção na superfície é definida de maneira similar utilizando parâmetros de mola de torção, amortecimento e de inércia apropriados.

[00239] Em adição aos elementos do conjunto de ferramenta de perfuração o modelo pode acomodar elementos especiais em sua estrutura genérica. Em geral, estes podem ser acomodados desde que expressões que relacionam a solução de linha base através das duas extremidades, bem como sua matriz de transferência dinâmica associada possam ser descritos. Por exemplo, uma conexão de choque é tipicamente utilizada para amortecer vibrações axiais na broca. A conexão de choque consiste grosseiramente de duas peças que podem deslizar para dentro e para fora uma da outra, e são conectadas por uma mola. Quando as peças se movem uma em relação à outra, fluido interno cria uma força de amortecimento. A resposta do sistema pode ser modelada como dois elementos conjuntos de ferramenta de perfuração (que representam as duas metades da conexão de choque) conectadas ao sistema mola-amortecedor com constante de mola kss e constante de amortecimento yss. A matriz transferência para uma conexão de choque pode ser obtida como:

./WsS

1 [00241] Tudo isto é necessário para obter o vetor de estado na presença da conexão de choque é inserir esta matriz transferência para o produto global na

T wjxpper

T üj,itrwer (64) equação 46 na posição apropriada. Como esperado, esta matriz reduz para a matriz identidade quando a mola é feita infinitamente rígida.

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 66/102

63/88 [00242] Outro elemento especial de interesse potencial é um motor de lama localizado no BHA. Este dispositivo altera a solução de linha base uma vez que todos os elementos do conjunto de ferramenta de perfuração ou abaixo dele giram em uma velocidade angular diferente Dbit > Drpm determinada pelo projeto do motor de lama e vazão de lama. O torque de linha base permanece contínuo através do motor de lama. A resposta dinâmica do motor de lama pode ser expressa em uma formulação de matriz transferência similar à equação 64.

[00243] EFEITOS DE JUNTA DE FERRAMENTA [00244] Diversos componentes tubulares do conjunto de ferramenta de perfuração, especialmente os tubos de perfuração, não têm um perfil de seção transversal uniforme ao longo de seu comprimento. Eles tendem a ser mais volumosos próximo às extremidades (juntas de ferramenta) onde são feitas conexões, e mais esbeltos no meio. Tubo de perfuração de peso pesado e outros tubos de perfuração não padrão também podem ter seções reforçadas onde o perfil de seção transversal é diferente do restante do tubo. Diversos tubos de perfuração também têm seções transversais afiladas que conectam o corpo do tubo a juntas de ferramenta nas extremidades ao invés de um perfil de seção transversal constante como peça. Para construir um conjunto de ferramenta de perfuração diversas cópias aproximadamente idênticas de tais componentes tubulares são conectadas extremidade com extremidade para criar uma estrutura com diversas variações em seção transversal ao longo de seu comprimento. Representar cada parte com uma seção transversal diferente como um elemento separado é tedioso e computacionalmente caro. É desejável utilizar uma descrição de conjunto de ferramenta de perfuração efetiva, a mais simples, para aumentar a velocidade de computação e reduzir a complexidade do modelo. Isso pode ser conseguido tirando vantagem do fato que para uma seção do conjunto de ferramenta de perfuração que consiste de uma série de tubulares nominalmente do mesmo projeto e comprimento, tipicamente ao redor de 10 metros (30 pés) as variações em seção transversal são aproximadamente periódicas, com um período (aproximadamente 10 metros) que é muito menor do que os comprimentos de onda associados com vibrações axiais e de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 67/102

64/88 torção de interesse. Assim, um método de fazer a média pode ser empregado para simplificar as equações a serem solucionadas. Este método, como se aplica para o problema aqui em mãos, está divulgado abaixo.

[00245] Considere uma seção do conjunto de ferramenta de perfuração que consiste de um número de componentes nominalmente idênticos de comprimento L ligados extremidade com extremidade para os quais a área de seção transversal A, momento de inércia I e momento de inércia polar J são funções periódicas de comprimento de arco I, com um período L que é considerado curto comparado com os comprimentos de onda característicos de interesse. Então, as equações 29, 30 que descrevem a solução de linha base axial podem ser aproximadas por meio de:

~ ] / 1 \, [00246] [00247] Onde os colchetes angulares indicam fazer a média sobre um período da variação:

(/)^1(4//(/).

[00248] ^L o [00249] De maneira similar, a solução de linha base de torção pode ser obtida substituindo o diâmetro exterior do torque r_c e o inverso do momento polar de em inércia 1/J por suas versões tornadas médias nas equações 32, 33. A implementação numérica descrita nas equações 35 - 38 pode ser manipulada da mesma maneira. Substituindo os parâmetros geométricos por seus valores tomados médios não é mais necessário quebrar o conjunto de ferramenta de perfuração em elementos de seção transversal constante.

[00250] Observar que as operações de inversão e de fazer média não são intercambiáveis; por exemplo, <1/A> não é igual a 1/<A> a menos que A seja uma constante. Para um dado componente de conjunto de ferramenta de perfuração de perfil de seção transversal especificado, podemos definir os seguintes fatores de forma:

(65) (66) (67)

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 68/102

65/88 [00251]

(68) [00252] Para um componente com um perfil de seção transversal genérico, estes fatores de forma são sempre maiores do que ou iguais a um, a igualdade se mantendo somente quando a seção transversal permanece constante ao longo do componente.

[00253] Voltando agora para as equações de onda harmônicas quando os parâmetros de geometria não são mais uma constante ao longo do comprimento de arco, o diferencial, equação 40 pode ser escrito em forma de matriz:

[00254]

l/£4 ρΑ o/ [1 + (1 + j ] θ (69)

[00255] Depois de aplicar o método de fazer a média para os elementos individuais da matriz manipulação adicional de equações familiares a alguém versado na técnica, a versão generalizada da matriz de transferência axial equação é obtida como (70) [00256] [00257] onde o índice i foi eliminado para simplicidade. O processo de fazer a média também afeta os parâmetros de amortecimento de lama e de furo de sondagem como a seguir:

__p^^ID₊OPy, p K4)

Áo ^sen / 1 [00258] [00259] (71) (72)

As equações de torção tornadas médias podem ser obtidas de maneira similar com a matriz transferência resultante tendo a mesma forma como acima, com as substituições apropriadas de quantidades de torção, equação 63:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 69/102

66/88 [00260] [00261] co^k^SjL)

Sy sen(i_r5ji) cot>{k_fSjL) (73) onde os parâmetros de amortecimento de torção também são tornados médios de maneira apropriada.

[00262] O efeito o mais significativo de utilizar componente de conjunto de ferramenta de perfuração com uma seção transversal não uniforme é mudar os vetores de onda associados com ondas de torção axiais e de torção em uma dada frequência por um fator de forma constante. Em outras palavras, as velocidades de ondas axiais e de torção ao longo desta seção do conjunto de ferramenta de perfuração são reduzidas por Sa e Sj respectivamente. Isto provoca um deslocamento associado de frequências ressonantes do conjunto de ferramenta de perfuração para valores mais baixos, o que pode ser importante se o modelo é utilizado para identificar “pontos doces” de RPM. Como mencionado aqui em diversos locais, os custos de operações de perfuração tomam mesmo melhoramentos menores em predições em rendimentos de operações correspondentes valiosos.

[00263] Para ilustrar a magnitude deste efeito, deixe-nos considerar um tubo de perfuração de alta resistência típico de 5 polegadas OD, 19,50 libras por pé (ppf) com uma conexão NC50(XH). Uma seção do conjunto de ferramenta de perfuração que consiste de um número de tubos de perfuração terá um padrão de seção transversal que se repete, que consiste de aproximadamente 30 pés de corpo de tubo com um diâmetro externo OD de 5 polegadas e diâmetro interno ID de 4,276 polegadas e uma seção de junta de ferramenta com um comprimento total (pino + caixa) de 21 polegadas, OD=6,625 “ e ID=2,75”. Os fatores de forma correspondentes para este tubo são: Sa=1,09 e Sj = 1,11, respectivamente. Assim, se a maior parte do comprimento do conjunto de ferramenta de perfuração consistir deste tubo, as juntas de ferramenta podem provocar um deslocamento para baixo de frequências ressonantes de até cerca de 10%, comparado com um tubo de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 70/102

67/88 perfuração de seção transversal uniforme. Isto pode ser significativo dependendo da aplicação, e pode ser incluída em uma modalidade preferida da invenção. Por exemplo, operações de perfuração são tipicamente planejadas para evitar operações nas frequências ressonantes, as quais podem ser mais precisamente modeladas com os presentes sistemas e métodos. As mudanças correspondentes nos parâmetros de amortecimento têm um impacto menos significativo na resposta dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração, porém também podem ser incorporadas.

[00264] AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO CONJUNTO DE FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO.

[00265] A solução de linha base, frequência de modo próprio, e funções de resposta linear fornecida por este modelo base podem ser utilizadas para avaliar salto da broca e tendências de deslizamento aderente dos projetos de conjunto de ferramenta de perfuração que podem ser por meio de índices de vibração derivados destes resultados. Sem restringir o escopo da invenção, alguns exemplos de tais índices são apresentados aqui. Especificamente, diversos índices descritos aqui dependem da complacência efetiva (axial e de torção) do conjunto de ferramenta de perfuração corpo na posição da broca, equação 53:

[00266] e

(74) (75)

A complacência axial fornece a relação entre o deslocamento axial de tensão em uma frequência particular. De maneira similar, [00267] [00268] amplitude complacência de torção se relaciona à amplitude de deslocamento angular para amplitude de torque. A complacência é uma função complexa de ω que tem informação em ambos, na magnitude relativa e fase das oscilações.

[00269] ÍNDICES AXIAIS (SALTO DA BROCA): DESLOCAMENTO FORÇADO

NA BROCA

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 71/102

68/88 [00270] Na avaliação do desempenho do conjunto de ferramenta de perfuração que considera deslocamento forçado na broca, a broca de perfuração é admitida atuar como uma fonte de deslocamento em certos harmônicos da RPM. Para brocas de cone rolante (RC) com três cones, o modo 3xRPM está genericamente implicado em salto da broca, assim é apropriado tratar n = 3 como o modo harmônico o mais importante. Para brocas PDC, o número de lâminas tem probabilidade de ser um nó harmônico importante. Também em uma formação laminada qualquer desencontro entre a trajetória do furo de sondagem e a face da ferramenta direcional dá origem a uma excitação na frequência fundamental, assim n=1 deveria sempre ser considerado. Considerando os harmônicos, n=3 para brocas RC e n=1 e contagem de lâminas para brocas PDC, deveríam ser utilizados, contudo, considerar outras frequências está dentro do escopo desta invenção.

[00271] É admitido que a origem da excitação de deslocamento é a heterogeneidade na rocha tal como nódulos duros ou falhas ou transições entre diferentes formações. Ao passar sobre estas falhas duras a broca de perfuração é empurrada para cima pela formação mais dura. Se a força axial adicional que é gerada pela resposta do conjunto de ferramenta de perfuração para este movimento excede o WOB, as oscilações resultantes eles no WOB podem fazer com que a broca perca contato com o fundo do furo. A situação é similar ao caso onde um carro com uma suspensão rígida se toma transportado no ar trafegando sobre uma lombada. A constante de mola efetiva do conjunto de ferramenta de perfuração que gera a força de restauração é fornecida por:

(76) [00272] [00273] O cenário de pior caso ocorre quando a resistência das porções duras excede de maneira significativa a resistência média da rocha, de tal modo que a broca quase que desengata de seu desenho do fundo de furo resultando em uma amplitude de excitação igual à penetração por ciclo (PPC) ou a quantidade que o conjunto de ferramenta de perfuração avançar axialmente em um período de oscilação; assim, é admitido que:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 72/102

69/88 _prc^2nROP [00274] [00275] (77)

A constante de proporcionalidade a entre o PPC e a amplitude de deslocamento imposta, pode ser ajustada desde 0 até 1 para indicar heterogeneidade de rocha, com 0 correspondendo a uma rocha completamente homogênea e 1 correspondendo à presença de travessas muito duras em uma rocha macia. Um índice de salto de broca pode então ser definido pela relação da força axial dinâmica para o WOB médio. Ajustar a constante de proporcionalidade a para 1 corresponde a um cenário de pior caso:

l ( \^{PPC ROP}

BB. Sn)---------.

¹ WOB WOB _ηΩ ||_C (_πΩ ]||² [00276] ™ ||^L nJ* [00277] A broca poderia desengatar completamente da rocha por parte do ciclo se (78) esta relação excede 1, de modo que o objetivo do projeto poderia ser minimizar este índice mantendo-o pequeno comparado com 1. O índice é apenas relevante quando a parte real da complacência é negativa, isto, é quando o conjunto de ferramenta de perfuração realmente empurra para trás.

[00278] A primeira relação nesta expressão depende das características da broca e da formação, e isto pode ser obtido a partir de testes de perfuração nas velocidades de rotação relevantes. Alternativamente, o desempenho de vibração de um conjunto de ferramenta de perfuração já operado o projeto pode ser previsto utilizando dados de ROP e WOB no registro de perfuração.

[00279] Em uma situação de pré-perfuração onde ROPs não são conhecidos, pode ser mais vantajoso fornecer uma avaliação de “estado limite” ROP de pré perfuração associada com o índice de salto de broca de um:

MAXROP^n) = HOB 1 (79) [00280] [00281]

Uma plotagem do contorno desta quantidade irá indicar para um dado conjunto de condições de perfuração o ROP além do qual salto da broca pode se tornar dominante e o objetivo do projeto seria maximizar o ROP dentro de uma

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 73/102

70/88 janela operacional sem induzir salto de broca excessivo ou indesejável.

[00282] Para as finalidades de projeto de conjunto de ferramenta de perfuração um índice comparativo de salto de broca que leva em consideração somente propriedades no conjunto de ferramenta de perfuração pode ser útil:

D \ L «I.OIÍ V nfW /J ^BS/^n]=—rrT--[00283] )|| [00284] onde Db é o diâmetro da broca. O objetivo de projeto podería ser minimizar esta quantidade na janela operacional. Este é um indicador relativo em (80) que a magnitude real não fornece qualquer informação quantitativa, contudo tem unidades de tensão e deveria ser pequeno quando comparado à resistência da formação. Somente valores positivos deste parâmetro colocam um problema em vibração axial potencial.

[00285] Para casos onde a incerteza nos parâmetros de entrada não permite determinação precisa da fase da complacência, um índice mais conservative pode ser utilizado substituindo a parte real pela magnitude, e desprezando a fase. A discussão acima ilustra diversos índices disponíveis que podem ser desenvolvidos a partir das relações dentro do furo de sondagem. Outros índices adequados podem ser desenvolvidos aplicando os sistemas e métodos da presente divulgação e estão dentro do escopo da presente divulgação.

[00286] SALTO DA BROCA: TREPIDAÇÃO REGENERATIVA [00287] Outra fonte potencial importante de vibração axial é trepidação regenerativa da broca de perfuração que tem um entendimento fundamental mais sólido. Como uma fonte de vibração axial, relações que definem o comportamento de trepidação regenerativa podem ser utilizadas para fornecer ainda índices de desempenho adicionais. Trepidação regenerativa é uma vibração auto-excitada onde a interação entre a resposta dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração e a interação broca-rocha pode provocar um desenho de fundo de furo cuja amplitude cresce com o tempo. Este é um fenômeno bem conhecido e estudado em usinagem, corte e fresagem e é referido como “teoria de trepidação”. Em comparação com a discussão precedente este tipo de instabilidade pode ocorrer em

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 74/102

71/88 rocha completamente homogênea e é mais diretamente amarrado ao projeto do conjunto de ferramenta de perfuração.

[00288] Teorias lineares de trepidação regenerativa foram desenvolvidas nos anos 50 e 60 por diversos pesquisadores inclusive Tobias, Tlusty Proust e Merritt.Por anos desde as teorias introdutórias de trepidação regenerativa, melhoramentos significativos foram feitos às teorias que incluem as teorias que apresentam capacidades preditivas.Trepidação pode ocorrer em frequências onde a parte real da complacência é positiva, assim cobre freqüências complementares àquelas consideradas anteriormente. A convenção de sinal utilizada nos presentes sistemas e métodos é diferente da maior parte das descrições convencionais de trepidação.

Para estas frequência a trepidação pode ocorrer se:

[00289]

S^<2rc[c;“^m (81) [00290] Para estabilidade incondicional esta desigualdade precisa ser satisfeita para qualquer frequência de trepidação candidata. A penetração por ciclo (PPC) pode estar relacionada a ROP:

j a(ROP) [00291] ® áfVOB)' [00292] Assim, o critério para a estabilidade incondicional pode ser feito em um índice de trepidação:

(82) max _BB _[ [00293] L^⁰⁵).

[00294] Esta quantidade precisa ser menor do que 1 para estabilidade incondicional. Se informação de calibração independente (perfuração) não está disponível é ainda possível construir um índice de trepidação relativo:

BB, = rniv {<υ Rc[q («?)]} [00295] [00296] Em realidade, requer estabilidade incondicional é conservative, uma vez que a frequência de trepidação e RPM e estão relacionadas. É possível computar (83) (84) um diagrama de estabilidade de condicional e localizar “pontos doces” de RPM

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 75/102

72/88 empregando completamente a teoria de Tlusty. Esta computação é complicada pelo fato que a própria complacência efetiva da broca é uma função de RPM, embora a dependência seja bastante fraca. Isto resulta em uma análise mais intensiva computacionalmente que não está descrita aqui em detalhe, porém que está dentro do escopo mais amplo da presente divulgação.

[00297] ÍNDICES DE TORÇÃO (DESLIZAMENTO ADERENTE): DESLIZAMENTO ADERENTE INDUZIDO DA BROCA [00298] Embora vibração de torção, também referida como deslizamento aderente possa ser provocada ou influenciada por inúmeros fatores dentro do furo de sondagem, a interação entre a broca e a formação é um fator importante. A explicação que prevalece é de deslizamento aderente induzido na broca é que ele surge como uma instabilidade devido à dependência da agressividade da broca (relação torque/WOB) em RPM. A maior parte das brocas apresenta agressividade reduzida em RPMs mais elevadas. Em WOB constante o torque gerado pela broca realmente diminui quando a broca acelera, resultando em flutuações de RPM que crescem no tempo. O que impede que isto aconteça em todos os momentos é o amortecimento dinâmico do movimento de torção ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração. Comportamento de deslocamento de deslizamento aderente pode ocorrer em frequências ressonantes do conjunto de ferramenta de perfuração onde forças de inércia e elásticas anulam exatamente uma a outra. Quando isto ocorre a parte real da complacência se anula:

[00299] ^R4^C+ )1-¾ í = 1,2,...

[00300] A magnitude do amortecimento efetivo nesta frequência é fornecido por:

(85) [00301]

(86) [00302] Se é assumido que a resposta dinâmica da broca pode ser inferida a partir de seu comportamento de estado constante em RPMs variáveis, então o parâmetro de amortecimento é fornecido por:

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 76/102

73/88 (87) [00303] [00304] Instabilidade de deslizamento aderente ocorre quando o amortecimento negativo da broca é grande o suficiente para fazer o amortecimento global do sistema se tornar negativo:

[00305] /^+r_flí<° (88) [00306] Um conjunto de ferramenta de perfuração tem diversas frequências ressonantes, porém na maior parte dos casos o amortecimento efetivo do conjunto de ferramenta de perfuração é mínimo para a freqüência de ressonância a mais baixa (J =1), a menos que vibração nesta frequência seja suprimida por controle ativo tal como Soft Torque™. Assim, o modelo atualmente descrito localiza a primeira ressonância e a utiliza para acessar desempenho de deslizamento aderente. Outros modelos adequados utilizados para desenvolver índices podem considerar outras ressonâncias. Um índice adequado de tendência de deslizamento aderente pode ser construído como:

= _n Λ v (89) [00307] Vu ⁺Τί>α ' [00308] O fator que multiplica o coeficiente de amortecimento global é escolhido para não dimensionar o índice por meio de um torque característico (torque do equipamento) e deslocamento angular (encontrado em condições de deslizamento aderente total). Outra escolha razoável para um torque característico seria torque na broca; existem também outras frequências características tais como a frequência de deslizamento aderente. Consequentemente, o índice apresentado aqui é meramente tomado como exemplo da metodologia dentro do escopo da presente divulgação. Outras formulações de índice poderíam ser utilizadas com base nos ensinamentos aqui, e estão dentro do escopo da presente invenção. O objetivo de projeto de um projeto de configuração de conjunto de ferramenta de perfuração e/ou um projeto de operação de perfuração seria de maneira primária evitar regiões onde este índice é negativo e então minimizar quaisquer valores positivos dentro da janela operacional.

[00309] Este índice requer informação a respeito de como o torque de broca

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 77/102

74/88 depende da RPM. A modalidade preferida utiliza uma forma funcional para a agressividade de broca como a seguir:

„ ₌ lc·' ____ [00310] D_t-WOB \+{η^!Ώ_Μγ [00311] onde Db é o diâmetro da broca. Outras implementações podem utilizar outras relações para descrever como o torque da broca depende de RPM. De acordo com a presente implementação, quando a RPM é aumentada a agressividade da broca reduz de seu valor “estático” ps em RPMs baixas no sentido de seu valor dinâmico pd em RPMs elevadas com um cruzamento característico de RPM associado com velocidade angular Ωχο. A equação 90 pode então ser utilizada para obter uma forma da expressão na equação 87 como:

(90) [00312]

- WOBΓ__Ι_ϊ μ,-μ,

1 + (Ω^ / Ω_λώ ) (91) [00313] Outros termos funcionais adequados também podem ser utilizados.

Deveria ser observado que se um motor de lama está presente, a velocidade de rotação na broca deveria ser utilizada para computar o amortecimento da broca. Sistemas de motor de lama operam em RPMs mais elevadas e tendem a ter amortecimento de torção significativo devido à sua arquitetura. A utilização de motores de lama pode reduzir de maneira significativa o risco de deslizamento aderente; este efeito pode ser levado em consideração se a matriz de transferência dinâmica do motor de lama for fornecida para o modelo. Outras adaptações adequadas dos presentes modelos para levar em consideração diversos outros elementos e configurações do conjunto de ferramenta de perfuração estão dentro do escopo da presente divulgação.

[00314] Se nenhuma informação característica da broca está disponível, um índice relativo pode ser utilizado para as finalidades de comparação lado a lado dos projetos de conjunto de ferramenta de perfuração admitindo valores default adequados tais como 0,3 para a agressividade da broca e nenhum enfraquecimento de velocidade. Este índice não irá permitir determinação de quando irá ocorrer deslizamento aderente, porém irá fornecer uma comparação relativa entre diferentes

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 78/102

75/88 conjuntos significativos de ferramenta de perfuração para a mesma broca com melhores projetos tendo um índice mais baixo:

_ss ^Γ*/^=0·3) [00315] ^Ω RPM?

[00316] ÍNDICES DE TORÇÃO: VIBRAÇÕES FORÇADAS DE TORÇÃO [00317] Para avaliar desempenho de conjunto de ferramenta de perfuração sob forçamento de torção, a resposta linear a diversos tipos de excitações pode ser (92) considerada, todas as quais estão dentro do escopo da invenção divulgada. Em uma modalidade preferida a broca de perfuração é admitida atuar com uma fonte de oscilações de torque com uma freqüência que corresponde à velocidade de rotação e seus harmônicos. Quando um destes harmônicos está próximo de uma das frequências ressonantes de torção do conjunto de ferramenta de perfuração oscilações de torção severas podem ser induzidas devido à grande complacência efetiva do conjunto de ferramenta de perfuração, isto é, uma pequena oscilação de torque pode resultar em uma grande variação na velocidade de rotação da broca. A complacência de torção efetiva na broca, levando em consideração a coluna de perfuração e o amortecimento da broca é fornecida por [00318]

(93) [00319] onde C*bit(cu) = 1ήωγω . O * é utilizado para indicar que o termo não é uma complacência verdadeira e somente inclui o termo de enfraquecimento de velocidade associado com uma agressividade da broca. Um índice de vibração de torção forçada não dimensionado para a e-nésima excitação harmônica pode então ser definido como:

[00320] ^Γ7ι M ^_ ll^C< (^ηΩ*™ )|| [00321] Para a faixa desejada de parâmetros de perfuração, melhor conjunto de ferramenta de perfuração e projetos de broca resultam em índices mais baixos. O índice é normalizado de tal modo que ele reflita a relação de torque característico (94) escolhido aqui como o torque na superfície para a amplitude de torque de excitação

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 79/102

76/88 necessária para alcançar deslizamento aderente completo na broca. Outra escolha razoável para um torque característico seria torque na broca. Existem também outras frequências características que podem ser consideradas, outro exemplo está divulgado abaixo. Consequentemente, o índice apresentado aqui é meramente tomado como exemplo da metodologia dentro do escopo da presente divulgação. Outras formulações de índice podem ser utilizadas com base nos ensinamentos daqui e estão dentro do escopo da presente invenção. O objetivo de projeto seria minimizar o índice dentro da janela operacional.

[00322] Se nenhuma informação característica da broca está disponível valores default adequados, tais como 0,3 para a agressividade da broca e nenhum enfraquecimento de velocidade podem ser assumidos, e um índice relativo similar ao índice de deslizamento aderente pode então ser definido como:

[00323] =θ4^™1 <^θ5>

[00324] O índice na equação 95 pode fornecer uma comparação relativa entre diferentes projetos de conjunto de ferramenta de perfuração utilizando a mesma broca com o melhor projeto tendo um índice de vibração mais baixo.

[00325] ÍNDICES AXIAL E DE TORÇÃO: OUTRAS VIBRAÇÕES FORÇADAS [00326] Outras fontes potenciais de vibração axial e de torção são as flutuações de pressão geradas pelas bombas de lama e outros elementos hidráulicos no conjunto de ferramenta de perfuração, tal como um motor de lama, uma turbina, ou uma válvula de telemetria de pulso. Cada um destes tem o potencial para modular o forçamento axial e de torção em frequências particulares. Por exemplo, bombas de lama criam pequenas ondas de pressão em harmônicos dos cursos de bomba por minuto (SPM). Isto cria um forçamento axial ao mesmo tempo ao longo de todo o conjunto de ferramenta de perfuração e na broca de perfuração devido a mudanças na queda de pressão através dos bocais da broca. O mesmo forçamento também gera oscilações de torque devido a mudança dinâmica em WOB na mesma frequência. Um índice relativo de desempenho de vibração devido a excitação na bomba da lama SPM e seus harmônicos pode ser construído para quantificar seus efeitos nas vibrações do conjunto de ferramenta de perfuração. Como outro

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 80/102

77/88 exemplo, o motor de lama altera a solução de linha base girando em uma velocidade angular diferente determinada pelo projeto do motor de lama, a vazão de lama e a queda de pressão através do motor. O forçamento de torção e axial também coincide com os cursos da bomba de lama por minuto (SPM) e harmônicos da SPM da bomba de lama. Ainda como outro exemplo, a válvula hidráulica utilizada para telemetria de pulso de lama opera em uma frequência portadora relacionada à velocidade de transferência de dados do sistema, e gera oscilações de pressão em frequências características distintas. Se quaisquer destas excitações coincidem com uma frequência ressonante do conjunto de ferramenta de perfuração, pode resultar em amplificação de vibrações. Aqueles versados na técnica poderíam, com a ajuda desta divulgação, ser capazes de construir e utilizar índices de vibração adequados com base na excitação do conjunto de ferramenta de perfuração em uma posição particular e frequência particular, e a função resposta do conjunto de ferramenta de perfuração para aquela excitação.

[00327] OUTROS ÍNDICES: ENERGIA ELÁSTICA NO CONJUNTO DE FERRAMENTA DE PERFURAÇÃO [00328] A quantidade de energia elástica armazenada no conjunto de ferramenta de perfuração que resulta de condições dinâmicas pode ser um indicador de movimento excessivo que pode conduzir a dano no conjunto de ferramenta de perfuração, desgaste de tubo e revestimento e, talvez, mesmo quebras no furo de sondagem e outras condições pobres de furo. A quantidade de energia elástica armazenada no conjunto de ferramenta de perfuração pode ser escrita em forma de integral como:

[00329]

(96) [00330] Uma vez que a curvatura do furo pode ser considerada ser predeterminada e não parte do problema de dinâmica, os primeiros dois termos no integrando, a energia de deformação axial dinâmica e a energia de deformação de torção, respectivamente podem ser utilizadas como, ou consideradas em índices de vibração adicionais. Melhor desempenho podería genericamente estar associado

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 81/102

78/88 com valores de índice mais baixos calculados como a seguir:

[00331] [00332] [00333]

As soluções particulares utilizadas na computação dos índices acima pode ser a solução de linha base, a parte dinâmica das funções de resposta linear em uma frequência relevante (um harmônico da RPM, ou uma frequência ressonante no caso de trepidação ou deslizamento aderente), ou uma superposição das duas.

[00334] OUTROS ÍNDICES: PERDAS DO SISTEMA DEVIDO A ATRITO [00335] A quantidade de energia dissipada em perdas de atrito ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração pode ser avaliada com este modelo para condições de referência. Integrar o produto dos ternos de atrito (atrito de contato de lama ou furo de sondagem) e seus respectivos deslocamentos ou velocidades de cisalhamento, incluindo ambos os termos, de linha base e dinâmico irá quantificar as perdas de atrito e identificar os termos que resultam de carregamento e os termos que são induzidos por efeitos dinâmicos preditos no modelo. Os efeitos de projeto de conjunto de ferramenta de perfuração em perdas de atrito podem então ser quantificados. Atrito médio maior tipicamente resulta em mais desgaste de componentes e assim vida mais curta, de modo que é desejável reduzi-lo. Por outro lado, atrito dinâmico pode fornecer o amortecimento que é necessário para suprimir instabilidades de vibração. Quando o atrito apresenta características de enfraquecimento de velocidade perdas globais de atrito podem ser reduzidas na presença de vibrações, o que pode disparar instabilidades. Assim, quantificar perdas dinâmicas em termos de um índice de perda pode ajudar na tarefa de projetar conjuntos de ferramenta de perfuração com vida mais longa e menos aspectos de vibração.

[00336] OUTROS ÍNDICES: MARGEM DE ESCOAMENTO DINÂMICA [00337] As soluções combinadas de linha base e funções de resposta linear

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 82/102

79/88 dinâmica a partir deste modelo podem unicamente fornecer informação para auxiliar a obter um entendimento da margem operacional para condições de carregamento dinâmico. Para cada elemento do conjunto de ferramenta de perfuração a margem entre a tensão de escoamento do material e o estado de tensão de linha base determina a margem de escoamento naquela profundidade. Superpondo os estados dinâmicos e as tensões calculadas para condições dinâmicas de referência e comparando estes valores com margem de escoamento dinâmica se pode avaliar a proximidade de falha dinâmica do conjunto de ferramenta de perfuração, e assim identificar aquelas seções de tubo que estão em perigo de falha. Reprojeto do conjunto de ferramenta de perfuração ou melhoramento da resistência de tubo neste intervalo irá eliminar o “elo fraco” na corrente e melhor a tolerância do sistema à fadiga.

[00338] ÍNDICES COMBINADOS [00339] Como descrito anteriormente, cada um dos modos de vibração pode ser determinado examinando cada um dos índices de vibração separadamente. Contudo, é possível que o desempenho individual de vibração predito para um dado conjunto de condições operacionais possa predizer bom desempenho para um dos índices enquanto predizendo pobre desempenho para um ou mais dos outros índices de vibração. Portanto, em algumas implementações dois ou mais dos modos de vibração e dois ou mais índices correspondentes podem ser considerados em conjunto em esforços para reduzir a vibração durante operações de perfuração. Estas implementações irão possibilitar projetar e identificar o projeto de conjunto de ferramenta de perfuração que alivia disfunção de vibração sobre uma faixa desejada de pelo menos um ou mais dentre RPM, WOB e profundidade.

[00340] A análise combinada para determinar índices de desempenho para diversos modos de vibração pode ser realizada pelo menos em duas maneiras, exemplos das quais incluem: (1) desenvolvimento de índice combinado e (2) superposição de diferentes índices para identificar regiões de operação “normal”. Outros métodos de combinar dois ou mais índices podem ser desenvolvidos e estão dentro do escopo desta divulgação. Uma vez que os índices de desempenho

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 83/102

80/88 combinados tenham sido determinados, um ou mais BHA e projetos de conjunto de ferramenta de perfuração e parâmetros operacionais de perfuração podem ser testados utilizando os índices de desempenho combinados para determinar projeto preferido e/ou operações preferidas, para reduzir vibrações. Existem diversos métodos para ambas as abordagens para desenvolver um índice de vibração combinado/superposto. Por exemplo, desenvolvimento de índice combinado pode incluir calcular ou determinar de outra maneira os índices de desempenho de vibração separados, e fornecer um valor que possa quantificar o melhor efeito dos modos de vibração. Os modos diferentes podem ser ponderados igualmente ou desviados dependendo da probabilidade esperada de encontrar um tipo específico de vibração. Os índices separados e ponderados podem então ser combinados para formar um índice global, tal como adicionando, fazendo a média, ou outro método que é aplicado comumente para todos os cálculos do índice global.

[00341] Em uma maneira similar, superposição de diferentes índices pode ser realizada combinando curvas de desempenho em uma plotagem enquanto mantendo fixos alguns dos valores paramétricos tal como WOB. Contudo, é entendido que o valor paramétrico fixo não tem a intenção de ser uma limitação do índice de superposição. Isto possibilita identificação visual de pontos doces fornecido em todos os modos de vibração. Para aprimorar ainda mais a identificação, este processo pode ser realizado em um programa de computador.

[00342] A figura 10 fornece uma modalidade esquemática bidimensional de uma plotagem de índice de desempenho de vibração combinado representativo. A plotagem do índice de desempenho de vibração combinado pode ilustrar os índices com eixos comuns para fornecer uma idéia dos parâmetros operacionais normais (WOB, RPM) nos quais o conjunto de ferramenta de perfuração pode ser operado para evitar oscilações de torção (tal como deslizamento aderente), dobramento lateral (tal como redemoinho) e o modo axial de vibração (tal como salto da broca). Embora uma plotagem bidimensional esteja ilustrada, estes índices podem ser plotados como uma função de profundidade utilizando uma carta tridimensional. Outras variações da plotagem representativa estão dentro do escopo da presente

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 84/102

81/88 divulgação e podem ser desenvolvidas para aplicação específica ou genérica. Na plotagem de índice combinado tomada como exemplo da figura 10, considerando que a região de deslizamento aderente 1012 é a região associada com a instabilidade, mover ainda para longe da região de instabilidade fornece um parâmetro espacial mais resistente a aspectos de deslizamento aderente. Adicionalmente, considerando a plotagem de índice combinado da figura 10, o movimento para longe da região de deslizamento aderente pode ser informado de modo a não penetrar em regiões sujeitas a vibrações axiais 1014 ou dobramento lateral 1016.

[00343] Embora o esquema apresentado forneça uma idéia de como os três modos de vibração podem ser combinados, diversas vezes na prática, somente dois dos três modos dominam a resposta do sistema. Por exemplo, o modo de dobramento lateral de qualquer dos modos de torção ou axial possa ser determinado ou avaliado dominar a resposta do sistema. Adicionalmente ou alternativamente, podería haver situações onde os modos de torção e axial dominam o modo de dobramento lateral. A composição do conjunto de ferramenta de perfuração, o BHA e a broca influenciam que modos dominam a resposta do sistema. Por exemplo,brocas tricônicas têm dominância distinta de modo axial enquanto brocas PDC têm dominância do modo de torção. Consequentemente, modalidades alternativas podem combinar os índices de desempenho de qualquer dois dos modos de vibração tal como axial e redemoinho, de torção e redemoinho e de torção e axial.

[00344] EXEMPLOS [00345] Como descrito acima, a presente divulgação fornece sistemas e métodos para auxiliar no projeto de configurações de conjunto de ferramenta de perfuração e/ou para auxiliar no projeto de operações de perfuração. índices de desempenho tomados como exemplo estão descritos acima, e outros podem ser desenvolvidos de acordo com as metodologias descritas acima. Diversos dos métodos descritos acima fornecem resultados que são mais bem apresentados graficamente. A maneira de apresentar os resultados graficamente pode ser variada como desejado por alguém

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 85/102

82/88 de talento na técnica. Diversas implementações de apresentação gráfica estão descritas em conexão com as figuras 11-17; outras implementações também estão dentro do escopo da presente divulgação. A discussão a seguir ainda descreve um sistema adaptado para implementação da metodologia acima, tal como um sistema de computador que inclui equipamento de entrada, equipamento de processamento, e equipamento de apresentação. Outros sistemas adequados podem ser desenvolvidos para implementar os presentes métodos uma vez que sistemas baseados em computador continuam a evoluir.

[00346] Os métodos da presente divulgação são preferivelmente implementados utilizando um ou mais sistemas baseados em computador tal como descrito acima. Um sistema de computador tomado como exemplo irá incluir componentes convencionais tais como processadores, meio de armazenagem, software e sistemas de entrada e de saída. Qualquer um ou mais destes componentes do sistema de computador pode ser fornecido em uma forma adequada e/ou ser combinado com os outros como apropriado ou disponível pela evolução de tecnologia. Por exemplo, os sistemas de entrada e de saída podem ser combinados, pelo menos em parte, na forma de um mostrador de tela de toque. De maneira similar, estes componentes podem se comunicar com qualquer outro em uma maneira adequada. Por exemplo, alguma porção do meio de armazenagem utilizado na implementação dos presentes métodos pode ser afastado dos sistemas de entrada e/ou de saída, tal como sendo conectados por meio de uma rede ou outro sistema de comunicação. Como outro exemplo, dois ou mais processadores podem ser adaptados para operarem em conjunto no processamento da matemática e algoritmos fornecidos pelos presentes métodos. Os métodos descritos aqui podem ser desempenhados pelo sistema de computador utilizando um pacote de software sob medida, adaptado para os presentes métodos. De maneira similar, a programação adaptada para implementar os presentes métodos pode esta associada com um sistema de computador como firmware ou em qualquer outra maneira adequada. Adicionalmente ou alternativamente, um ou mais aspectos dos presentes métodos podem ser implementados utilizando pacotes de software

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 86/102

83/88 disponíveis comercialmente, inclusive sistemas operacionais, programas de matemática, programas de projeto de engenharia, linguagens de programação, etc.

[00347] Voltando agora para o sistema tomado como exemplo, é observado que os presentes sistemas podem ser acoplados com ou integrados com os sistemas ou ferramentas divulgadas pela Publicação de Patente Internacional também pendente de número WO 2008/097303 dos requerentes, cuja divulgação total é aqui com isto incorporada para referência para todas as finalidades. Por exemplo, a interface gráfica de usuário pode ser similar à interface divulgada naquele Pedido. A discussão e ilustrações a seguir demonstram algumas das diversas mostradores disponíveis de entrada e saída com sistemas e métodos da presente divulgação. Este exemplo analisa um simples perfil de construir e manter poço e um projeto de referência de conjunto de ferramenta de perfuração e o compara com diversas alternativas de projetos de conjunto de ferramenta de perfuração afilados.

[00348] A janela de configuração principal 1110, mostrada na figura 11, permite entrada de parâmetros que são comuns com a ferramenta de vibração lateral da publicação WO 2008/097303. Estes incluem faixas de RPM 1012, faixas de WOB 1014, dimensão de furo 1016, peso de lama 1018, e faixa de harmônicos que são considerados 1020, entre outros parâmetros. Uma janela separada 2010 mostrada na figura 12 permite a entrada de alguns dos parâmetros adicionais necessários para implementação dos métodos de vibração de torção- axial acima para uma ferramenta de vibração de torção-axial. Parâmetros tomados como exemplo incluem a faixa de profundidade de broca 1212, viscosidade plástica da lama 1214 (pode ser dependente de frequência), fator de atrito de conjunto de ferramenta de perfuração 1216 (pode ser dependente de velocidade) e agressividade da broca 2018 (pode ser dependente de velocidade), condições limite do equipamento 1220 (pode ser fixada por default), e a faixa de frequência 1222 a ser analisada para funções de resposta linear. A janela também permite importar um plano de poço ou pesquisa em formato Excel em 1224 e apresenta em 1226 a trajetória associada com a pesquisa para assegurar que o perfil correto do furo de sondagem está sendo investigado.

[00349] Em algumas implementações diversos projetos de conjunto de ferramenta

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 87/102

84/88 de perfuração podem ser considerados simultaneamente para um dado conjunto de condições de perfuração. A figura 13 ilustra uma série de gráficos em uma janela de apresentação 1310 que inclui plotagens para cada um dos gráficos. Qualquer número de projetos de conjunto de ferramenta de perfuração pode ser considerado simultaneamente. Como ilustrado na figura 13, algumas implementações podem ser fornecidas como interface gráfica na qual um usuário pode escolher, de maneira seletiva, apresentar ou esconder um ou mais dos projetos de conjunto de ferramenta de perfuração dos gráficos, tal como pelas caixas de checagem 1330 na esquerda inferior da figura 13. Embora as plotagens ilustradas sejam apenas para dois projetos e utilizando linhas cheias e tracejadas para diferenciar, implementações reais podem ser adaptadas para utilizar codificação de cor para visualizar de maneira mais clara as plotagens dos diferentes projetos e para facilitar a utilização de um ou mais do que dois projetos. A solução de linha base está mais próxima de um modelo tradicional de torque e arraste e fornece a plotagem de deslocamento axial em 1312, tensão em 1314, ângulo de torção em 1318 e torque em 1318, cada um como uma função de distância a partir da broca enquanto o conjunto de ferramenta de perfuração está girando na WOB especificada, em 1320, e RPM em 1322. Afigura 13 ainda ilustra que um ou mais dos parâmetros pode ser selecionado ou variado dentro da interface gráfica de usuário tal como utilizando deslizadores de parâmetro. Deslizadores tomados como exemplo estão ilustrados para parâmetros tais como RPM 1322 e WOB 1320.

[00350] No exemplo da figura 13, dois projetos de conjunto de ferramenta de perfuração são comparados. Ambos têm idênticos BHAs, porém um tem apena tubo de perfuração de 5,5 polegadas acima do BHA (mostrado em linha cheia) enquanto o outro é um projeto afilado com 6.000 pés de conjunto de ferramenta de perfuração de 4 polegadas entre o BHA e o tubo de perfuração (mostrado em linha tracejada). As plotagens ilustradas da figura 13 mostram de maneira aproximada um estiramento de 5 pés do conjunto de ferramenta de perfuração sob estas condições. A diferença significativa no torque na superfície é devida às forças maiores de contato com o furo de sondagem, enquanto o projeto não afilado é muito mais

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 88/102

85/88 pesado do que aquele afilado. Um aumento rápido em torque visto na região construída (onde a inclinação do poço está mudando de vertical para um trajeto desviado entre aproximadamente 7000 e 8.000 pés a partir da broca) devido a forças de contato aumentadas necessárias para mudar a direção do conjunto de ferramenta de perfuração.

[00351] A figura 14 fornece uma representação tridimensional tomada como exemplo de deslocamento na janela 1410 que inclui representações gráficas de deslocamento para dois conjuntos diferentes de ferramenta de perfuração1412 e 1414. As representações 1412 e 1414 mostram uma magnitude de estiramento para o segundo modo harmônico, ver seletor de modo 1424 ao longo do conjunto de ferramenta de perfuração quando a broca é excitada por um deslocamento de referência de 0,5 polegadas. Frequências de ressonância podem ser claramente identificadas. Forças de furo de sondagem fornecem redução de amortecimento efetiva ativo reduzindo o deslocamento em frequências mais baixas, porém amortecimento se torna mais fraco quando a RPM é aumentada. O usuário pode utilizar os deslizadores fornecidos 1420, 1422, 1424, etc., para ajustar a orientação das plotagens ou mudar os modos harmônicos a serem analisados. Como na figura 13, diversos projetos de conjunto de ferramenta de perfuração podem ser comparados no mesmo mostrador. Em algumas implementações um único conjunto de janelas de entrada pode permitira um usuário gerar uma série de gráficos ou apresentações tal como aquelas nas figuras 13 e 14 que caracterizam o desempenho de um ou mais projetos estabelecidos nas janelas de entrada.

[00352] Embora os harmônicos de RPM sejam excitações primárias consideradas para vibrações axiais, todas as frequências podem ser consideradas para identificar instabilidade de torção. A figura 15 mostra na janela de apresentação 1510 a complacência efetiva de torção do conjunto de ferramenta de perfuração na WOB especificada 1525 (5 kblf) e RPM (120). Afigura 15 plota complacência para os dois projetos de conjunto de ferramenta de perfuração da figura 13 utilizando as mesmas convenções de linha cheia e de linha tracejada. Neste exemplo, a primeira ressonância 1540 ao redor de 0,25 hertz é associada com o estabelecimento de

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 89/102

86/88 deslizamento aderente. A ressonância está identificada por um cruzamento zero da parte real 1512 (que corresponde a próxima anulação de forças de inércia e elásticas) e um pico na parte imaginária 1514. A coluna afilada tem uma ressonância mais aguda que corresponde a desempenho mais pobre de deslizamento aderente. Examinar esta plotagem permite ao usuário identificar a frequência ressonante relevante e assegurar que ela está incluída na análise de deslizamento aderente a seguir. Em algumas implementações dos presentes métodos, o software ou outras programações podem fornecer telas de informação, tais como aquelas das figuras 11-15, relativas ao desempenho do conjunto de ferramenta de perfuração. Estas telas de informação podem apresentar os resultados de um ou mais modelos ou outras equações tal como descrito acima. Em algumas implementações as telas de informação apresentam informação que o usuário introduz em janelas de entrada subsequentes para determinação de um ou mais índices de desempenho de vibração. Adicionalmente ou alternativamente, algumas implementações podem ser configuradas para apresentar estas telas para a informação do usuário e para prosseguir independentemente para determinação de um ou mais índices de desempenho de vibração.

[00353] Análise de deslizamento aderente pode ser conduzida para encontrar a região de instabilidade. O exemplo da figura 16 apresenta plotagem de contorno do índice de deslizamento aderente SSi (equação 89) como uma função de RPM e WOB na janela 1610. Plotagens de contorno são apresentadas para quatro conjuntos de ferramenta de perfuração tomados como exemplo, como indicado pelos seletores de botão 1630. Especificamente, a figura 16 fornece plotagens de contorno dos conjuntos de ferramenta de perfuração descritos acima, a configuração de coluna de perfuração em 1612 e a configuração afilada em 1614. Dois casos adicionais intermediários são considerados aqui onde o comprimento da seção de tubo de perfuração de 4 polegadas foi ajustado em 1.000 pés em 1616, e 3.000 pés em 1618, respectivamente. Valores negativos para este índice correspondem a uma instabilidade de deslizamento aderente e estão marcados como faixa 1642 na plotagem de contorno com condições estáveis ilustradas pelas faixas restantes 1644

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 90/102

87/88 que mostram progressivamente mais condições estáveis. O resultado mostra que comparado com o projeto não afilado 1612, o projeto afilado de 6.000 pés tem uma região de instabilidade significativamente maior.

[00354] De maneira similar, uma análise de salto de broca pode ser conduzida. A figura 17 é uma plotagem de contorno do índice axial modificado (salto da broca) MAXROP(1) como uma função de profundidade medida e RPM. O índice MAXROP(1) da equação 70 é modificado substituindo a parte real da complacência por seu valor absoluto para os dois projetos de conjuntos de ferramenta de perfuração, mostrados nas plotagens 1712, 1714, como acima, na janela 1710. O índice rastreia a ROP na qual um deslocamento axial forçado na broca igual à penetração por ciclo resulta em uma amplitude WOB dinâmica que é igual ao WOB médio que indica o estabelecimento de salto de broca. Para este índice, valores maiores do índice são preferidos com áreas preferidas indicadas pela região 1746. Certas RPM são identificadas como mais sujeitas a salto de broca e são destacadas como regiões 1748,1750 e 1752 na plotagem de contorno da figura 17, com cada região tendo um ROP disponível mais baixo para evitar salto da broca. O ROP disponível está identificado pelos números nos limites da plotagem de contorno. Observar a mudança em “pontos doces” de RPM quando a profundidade de broca muda. O projeto base de conjunto de ferramenta de perfuração está mais sujeito a salto de broca associado com deslocamento forçado da broca devido a sua maior rigidez dinâmica axial.

[00355] Existe um grande número de outras combinações de índice de desempenho e/ou condições operacionais que podem ser apresentadas com os presentes sistemas e métodos, inclusive qualquer um ou mais dos2 índices e/ou cálculos descritos acima. Alguém versado na técnica podería ser capaz de determinar aqueles mais úteis para as restrições de perfuração.

[00356] Embora as presentes técnicas da invenção possam ser suscetíveis a diversas modificações e formas alternativas, as modalidades tomadas como exemplo discutidas acima foram mostradas à guisa de exemplo. Contudo, deveria ser novamente entendido que a invenção não tem a intenção de estar limitada às

Petição 870190075141, de 05/08/2019, pág. 91/102

88/88 modalidades particulares aqui divulgadas. Exemplos ilustrativos, não exclusivos, de descrições de alguns sistemas e métodos dentro do escopo da presente divulgação estão apresentados nos parágrafos numerados que seguem. Os parágrafos precedentes não têm intenção de ser um conjunto exaustivo de descrições e não têm intenção de definirem escopos máximo ou mínimo ou elementos requeridos da presente divulgação. Ao invés disto, eles são fornecidos como exemplos ilustrativos, com outras descrições de escopos mais amplos o mais estreito ainda estando dentro do escopo da presente divulgação. Aliás, as técnicas presentes da invenção devem cobrir todas as modificações, equivalentes e alternativas que caiam dentro do espírito e escopo da descrição aqui fornecida.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para projetar um conjunto de ferramenta de perfuração para utilização em uma operação de perfuração (200), caracterizado pelo fato de compreender:

obter parâmetros de operações de perfuração (206) relacionados a uma operação de perfuração;

obter dados de conjunto de ferramenta de perfuração (204) relacionados a pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração;

calcular uma solução de linha base do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração rotacionando a uma velocidade de rotação uniforme na ausência de vibração usando os parâmetros de operações de perfuração obtidos e os dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos;

construir um ou mais modelos de domínio de frequência linear como uma perturbação para a solução de linha base; em que pelo menos um do um ou mais modelos de domínio de frequência linear incluem um coeficiente de amortecimento que depende da solução de linha base;

utilizar pelo menos um do um ou mais modelos de domínio de frequência linear para calcular um ou mais índices de vibração caracterizando uma resposta de excitação do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração (208) para os parâmetros de operações de perfuração obtidos e dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos;

utilizar os um ou mais índices de vibração calculados para avaliar a adequabilidade do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração para a operação de perfuração (216); e selecionar um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração preferido do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração com base pelo menos em parte no um ou mais índices de vibração calculados do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração (218).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o coeficiente de amortecimento que depende da solução de linha base incorporar pelo

Petição 870200000577, de 03/01/2020, pág. 6/14

2/7 menos um de: efeitos de atrito de poço, efeitos de viscosidade de lama e efeitos de inércia de lama, e em que cada um dos efeitos depende de uma frequência de excitação, parâmetros de operações de perfuração obtidos e dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o um ou mais modelos de domínio de frequência linear incorporar efeitos associados com uma trajetória complexa de poço.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os um ou mais índices de vibração calculados compreenderem pelo menos um de índices comparativos e índices absolutos.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a resposta de excitação de pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração ser primariamente de torção ou primariamente axial.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos um dos parâmetros de operações de perfuração obtidos ser relacionado a trajetória de poço, e em que pelo menos um do um ou mais modelos de domínio de frequência linear é uma função de trajetória de poço, e em que pelo menos um dos um ou mais índices de vibração caracteriza uma ou mais respostas de vibração dinâmica como afetada pela trajetória de poço.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os um ou mais índices de vibração calculados serem combinados em um índice composto que caracteriza pelo menos duas respostas de um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração durante operações de perfuração.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de os dois ou mais índices de vibração do um ou mais índices de vibração calculados serem combinados matematicamente ou graficamente.
9. Conjunto de ferramenta de perfuração para utilização em uma operação de perfuração como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de compreender:

pelo menos um componente de fundo de poço, em que o pelo menos um

Petição 870200000577, de 03/01/2020, pág. 7/14

3/7 componente de fundo de poço é selecionado para prover o projeto de conjunto de ferramenta de perfuração com um índice de vibração preferido, em que o índice de vibração preferido caracteriza uma resposta de excitação do pelo menos um elemento tubular baseado pelo menos em parte em parâmetros de operações de perfuração e dados de conjunto de ferramenta de perfuração, em que o índice de vibração preferido é determinado utilizando um ou mais modelos de domínio de frequência, em que pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência é construído como uma perturbação para uma solução de linha base do projeto de conjunto de ferramenta de perfuração rotacionando em uma velocidade de rotação uniforme na ausência de vibração, em que a solução de linha base incorpora parâmetros de operações de perfuração e dados de conjunto de ferramenta de perfuração, e em que o pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência inclui um coeficiente de amortecimento que depende da solução de linha base.
10. Projeto de conjunto de ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de os coeficientes de amortecimento que dependem da solução de linha base incorporarem pelo menos um dentre: efeitos de atrito de poço, efeitos de viscosidade de lama e efeitos de inércia de lama, e em que cada um dos efeitos depende de uma frequência de excitação, parâmetros de operações de perfuração e dados de conjunto de ferramenta de perfuração.
11. Projeto de conjunto de ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência incorporar efeitos associados com uma trajetória complexa de poço.
12. Projeto de conjunto de ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o índice de vibração preferido compreende pelo menos um de índices comparativos e índices absolutos.
13. Projeto de conjunto de ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a resposta de excitação do pelo menos um elemento tubular ser primariamente de torção ou primariamente axial.

Petição 870200000577, de 03/01/2020, pág. 8/14

4/7
14. Conjunto de ferramenta de perfuração de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o índice de vibração preferido compreende um índice composto que caracteriza pelo menos duas respostas do projeto de conjunto de ferramenta de perfuração durante operações de perfuração.
15. Método para perfurar um furo, caracterizado pelo fato de compreender:

obter parâmetros de operações de perfuração (306) relacionados a uma operação de perfuração;

obter dados de conjunto de ferramenta de perfuração (304) relacionados a um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração a ser usado na operação de perfuração;

calcular uma solução de linha base para o projeto do conjunto de ferramenta de perfuração rotacionando em uma velocidade de rotação uniforme nqa ausência de vibração usando os parâmetros de operações de perfuração obtidos e os dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos;

construir um ou mais modelos de domínio de frequência linear como uma perturbação para a solução de linha base; em que um ou mais dos modelos de domínio de frequência linear incluem um coeficiente de amortecimento que depende da solução de linha base;

utilizar pelo menos um do um ou mais modelos de domínio de frequência linear calcular um ou mais índices de vibração caracterizando uma resposta de excitação do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração sob uma faixa de condições operacionais de perfuração disponíveis (308) para os parâmetros de operações de perfuração obtidos e dados de conjunto de ferramenta de perfuração obtidos;

determinar condições operacionais de perfuração preferidas para aliviar vibrações com base pelo menos em parte em um ou mais dos índices de vibração calculados (316);

perfurar um furo de poço usando o projeto de conjunto de ferramenta de perfuração enquanto monitorando condições operacionais de perfuração; e

Petição 870200000577, de 03/01/2020, pág. 9/14

5/7 ajustar operações de perfuração para manter condições operacionais de perfuração pelo menos substancialmente dentro de uma faixa das condições operacionais de perfuração preferidas (318) determinadas.
16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de os coeficientes de amortecimento que dependem da solução de linha base incorporarem pelo menos um dentre: efeitos de atrito de poço, efeitos de viscosidade de lama e efeitos de inércia de lama, e em que cada um dos efeitos depende de uma frequência de excitação, parâmetros de operações de perfuração e dados de conjunto de ferramenta de perfuração.
17. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência linear incorporar efeitos associados com uma trajetória complexa de poço.
18. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência linear incorporar efeitos de junta de ferramenta.
19. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de os um ou mais índices de vibração calculados compreenderem pelo menos um de índices comparativos e índices absolutos.
20. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de a resposta de excitação do projeto de conjunto de ferramenta de perfuração ser primariamente de torção ou primariamente axial.
21. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de pelo menos um dos parâmetros de operação de perfuração obtidos se relacionar com a trajetória de poço, e em que pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência ser uma função de trajetória de poço, e em que pelo menos um dos um ou mais índices de vibração calculados caracterizar uma ou mais respostas de vibração dinâmica como afetada pela trajetória de poço.
22. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de os um ou mais índices de vibração calculados serem combinados em um índice composto que caracteriza pelo menos duas respostas de um conjunto de ferramenta

Petição 870200000577, de 03/01/2020, pág. 10/14

6/7 de perfuração durante operações de perfuração.
23. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender ainda utilizar o poço em operações relacionadas a produção de hidrocarbonetos.
24. Método para aliviar vibrações (100) de um conjunto de ferramenta de perfuração que ocorrem durante operações de perfuração, caracterizado pelo fato de compreender:

obter dados relacionados a parâmetros de perfuração (102) relacionados a uma ou mais operações de perfuração;

calcular uma solução de linha base para a uma ou mais operações de perfuração de um projeto de conjunto de ferramentas de perfuração rotacionando em uma velocidade uniforme na ausência de vibração, usando os dados obtidos relacionados a parâmetros de perfuração;

construir um ou mais modelos de domínio de frequência linear como uma perturbação para a solução de linha base; em que pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência linear incluem coeficientes de amortecimento que dependem da solução de linha base;

utilizar o pelo menos um do um ou mais modelos de domínio de frequência linear para calcular um ou mais índices de vibração (108) caracterizando uma resposta de excitação do pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração (104) para os dados obtidos relacionados aos parâmetros de perfuração;

utilizar um ou mais índices de vibração calculados para identificar pelo menos uma mudança de parâmetro de perfuração (116) para aliviar vibrações de conjunto de ferramenta de perfuração; e ajustar um ou mais parâmetros de perfuração (118) com base pelo menos em parte em pelo menos um dos um ou mais índices de vibração calculados e na pelo menos uma mudança de parâmetro de perfuração identificada.
25. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de a resposta de excitação de pelo menos um projeto de conjunto de ferramenta de perfuração ser primariamente de torção ou primariamente axial.

Petição 870200000577, de 03/01/2020, pág. 11/14

7/7
26. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de pelo menos um dos dados obtidos relacionados com os parâmetros de perfuração se relacionar com a trajetória de poço, e em que pelo menos um dos um ou mais modelos de domínio de frequência ser uma função de trajetória de poço, e em que pelo menos um dos um ou mais índices de vibração calculados caracterizar uma ou mais respostas de vibração dinâmica como afetada pela trajetória de poço.
27. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de os coeficientes de amortecimento que dependem da solução de linha base incorporarem pelo menos um dentre: efeitos de atrito de poço, efeitos de viscosidade de lama e efeitos de inércia de lama, e em que cada um dos efeitos depemdem de uma frequência de excitação e dados obtidos relacionados a parâmetros de operações.