BRPI0917046B1

BRPI0917046B1 - método para estimar a velocidade rotacional instantânea de uma estrutura inferior do poço

Info

Publication number: BRPI0917046B1
Application number: BRPI0917046-4A
Authority: BR
Inventors: Pal Jacob Nessjoen; Âge Kyllingstad
Original assignee: National Oilwell Varco, L.P.
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2020-11-10
Also published as: CA2745062C; CA2745062A1; US20140034386A1; WO2010064031A1; RU2011127195A; RU2518699C1; US10533407B2; BR122012029014A2; RU2478782C2; EP2549055B1; PL2549055T3; US20150107897A1; MX2011005529A; CA2793117C; EP2549055B2; EP2549055A2; EP2843186A2; BR122012029014B1; BRPI0917046A2; US20110245980A1

Abstract

MÉTODO E APARELHO PARA ESTIMAR Á VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO, um método para estimar a velocidade rotacional instantânea de uma estrutura inferior do poço (16) na extremidade inferior de uma coluna de perfuração (12) que é operada por um mecanismo de perfuração ( 30) na parte superior da referida coluna de perfuração (12), e cuja coluna de perfuração (12) é suspeita de sofrer oscilações de atrito que possuem uma frequência fundamental observada ou estimada, tal método compreendendo as etapas de determinação de variações em um torque de "drive" (direção) do referido mecanismo de perfuração (30), combinando uma conformidade torsional conhecida da referida coluna de perfuração (12) com as referidas variações em um torque de "drive" e fornecendo um sinal de saída representando a referida velocidade rotacional instantânea.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA AS APLICAÇÕES RELACIONADAS

[0001] Esta aplicação reivindica a prioridade do número de aplicação da patente PCT PCT/GB2008/051144, depositada em 2 de dezembro de 2008 e o número de aplicação da patente UK [Reino Unido] 0907760.3, depositada em 7 de maio de 2009. A divulgação de cada uma destas duas aplicações é aqui incorporada por referência em sua totalidade, quando apropriado para ensinamentos de detalhes alternativos ou adicionais, características e/ou histórico técnico, e a prioridade é expressa.

[0002] O presente Pedido de Patente de Invenção relaciona-se a um, a um mecanismo de perfuração para uso em perfuração de poço e a um controlador eletrônico para uso com um mecanismo de perfuração.

[0003] A perfuração de um poço de gás e/ou óleo envolve a criação de um poço de extensão considerável, frequentemente de até muitos quilômetros verticalmente e/ou horizontalmente, no momento em que a produção começa. Uma coluna de perfuração compreende uma broca de perfuração em sua extremidade inferior e extensões de tubos de perfuração que são aparafusados conjuntamente. Toda a coluna de perfuração é movida por um mecanismo de perfuração na superfície, o qual, por sua vez, gira a broca para alargar o poço. O mecanismo de perfuração é tipicamente uma mesa rotativa ou um "top drive"[dispositivo de direção superior], cada um deles sendo essencialmente um volante pesado conectado à parte superior da coluna de perfuração.

[0004] A coluna de perfuração é uma estrutura extremante fina com relação à extensão do poço e durante a perfuração a coluna é torcida várias vezes por causa do torque na plataforma, entre aproximadamente 500 e 10.000 Nm. A coluna de perfuração também apresenta um comportamento dinâmico complicado, compreendendo vibrações axiais, laterais e torsionais. Medições simultâneas de rotação de perfuração na superfície e na plataforma revelaram que a coluna de perfuração geralmente se comporta como um pêndulo torsional, isto é, a parte superior da coluna de perfuração gira com uma velocidade angular constante, enquanto a plataforma de perfuração realiza uma rotação com velocidade angular variada, compreendendo uma parte constante e uma vibração torsional sobreposta. Em casos extremos, a parte torsional se torna tão grande que a plataforma periodicamente atinge uma paralisação completa, durante a qual a coluna de perfuração é torcida até que a plataforma gire outra vez de forma repentina em uma velocidade angular que é muito mais alta do que a velocidade angular medida na superfície. Este fenômeno é conhecido como atrito.

[0005] O atrito foi estudado por mais de duas décadas e é reconhecido como uma das principais fontes de problemas, tais como desgaste excessivo da plataforma, falhas prematuras de ferramentas e baixa taxa de perfuração. Uma das razões para tal fato são as altas velocidades de pico que ocorrem durante a fase de deslocamento. As altas velocidades de rotação, por sua vez, levam a efeitos secundários, como as forças e acelerações axiais e laterais extremas.

[0006] Um grande número de estudos e artigos tem abordado o problema do atrito. Muitos estudos se centraram na detecção do movimento de atrito e no controle das oscilações através de meios operacionais, tais como adição de redutores de fricção de perfuração, mudança da velocidade de rotação ou do peso sobre a plataforma. No entanto, embora estes paliativos ajudem algumas vezes, eles são ou insuficientes ou representam um custo excessivamente alto.

[0007] Alguns estudos também recomendaram a aplicação de controles inteligentes de "top drive" para amortecer e evitar as oscilações de atrito. No IADC/SPE 18049 foi demonstrado que a realimentação de torque a partir de um sensor exclusivo de torque de coluna pode efetivamente consertar as oscilações de atrito através do ajuste da velocidade em resposta às variações de torque medidas. Em Jansen. J. D et al. Active Damping of Self-Excited Torsional Vibrations in Oil Well Drillstrings [Amortecimento Efetivo de Vibrações Torcionais Auto-Excitadas em Colunas de Perfuração de Poços de Óleo], 1995, Journal of Sound and Vibrations [Jornal de Sons e Vibrações], 179(4), 647-668, foi sugerido que a desvantagem desta abordagem é a necessidade de uma medição nova e direta do torque da coluna, a qual já não está disponível. A Patente dos Estados Unidos 5 117 926 divulgou esta medição como outro tipo de realimentação, com base na corrente do motor (torque) e na velocidade. Este sistema esteve disponível comercialmente por muitos anos sob a marca registrada SOFT TORQUE®. A principal desvantagem deste sistema é a de que ele é um sistema de controle em cascata que utiliza a realimentação de torque em série com um controlador de velocidade rigido. Isso eleva o risco de instabilidade a frequências mais altas do que a frequência de atrito.

[0008] A IADC/SPE 28324, intitulada Application of High Sampling Rate Downhole Measurements for Analysis and Cure of Stick-Slip in Drilling [Aplicação de Medidas em Poços com Altas Taxas de Amostragem para Análise e Reparo de Atrito em Perfurações], divulgou o controle de um processo de perfuração que utiliza equipamento de direção, incluindo um PID [controle derivativo-integral-proporcional], um motor, uma caixa de engrenagem e uma mesa rotativa. O PID tenta manter a velocidade rotativa desejada da coluna de perfuração e é sugerido que o PID pode ser ajustado para evitar o atrito. No entanto, o resultado de uma simulação mostra um amortecimento insatisfatório das oscilações de atrito e chegou-se a conclusão no estudo que o PID, como um sistema de servo-controle, é demasiado simples para evitar o atrito.

[0009] Nossa aplicação de patente co-provisória PCT/GB2008/051144 divulga um método para amortecimento de oscilações de atrito, o amortecimento máximo acontecendo no ou próximo ao modo de oscilação de atrito primário ou fundamental (i.e., frequência mais baixa). No desenvolvimento do método, nós identificamos um problema adicional a ser abordado quando a coluna de perfuração é extremamente longa (superior a cerca de 5 km) e o periodo de atrito fundamental excede cerca de 5 ou 6s. Embora o método de nossas aplicações de patente anteriores seja capaz de reparar a oscilação de atrito fundamental em tais colunas, logo que essas oscilações são amortecidas, o segundo modo natural tende a se tornar instável e cresce em amplitude até que o atrito total seja desenvolvido na frequência mais alta. Em determinadas simulações, nós descobrimos que este segundo modo possui uma frequência natural que é aproximadamente três vezes mais alta que a frequência de atrito fundamental. As oscilações de atrito de ordem mais elevada são caracterizadas pelas amplas variações do ciclo de amplitude e pelo curto periodo do torque de "drive" (direção). Simulações mostraram que a velocidade de rotação da broca, neste caso, também varia entre zero e as velocidades de picos excedendo duas vezes a velocidade média.

[0010] Também descobrimos, através de outras simulações, que o método empregado pelo supracitado sistema SOFT TORQUE® padece do mesmo problema. Nenhum método é capaz de inibir ambos os modos, primário e secundário, das oscilações de atrito.

[0011] Os aspectos do presente Pedido de Patente de Invenção têm por base a percepção de que um controlador PI (Controlador Proporcional Integral) ou PID pode, de fato, ser utilizado para obter um amortecimento significante das oscilações de atrito através de um mecanismo de perfuração. Em particular, percebemos que um controlador PI ou PID pode ser ajustado para assegurar a energia de onda torsional de amortecimento eficiente a, e/ou próxima à frequência de atrito. Uma percepção mais aprofundada acerca da base de determinadas aplicações é a de que ambas as oscilações de modo, fundamental ou de um nivel ou de niveis mais altos (p.ex., o segundo modo natural ou maior), também podem ser amortecidas através da redução da inércia efetiva do mecanismo de perfuração, que pode ser obtido de várias formas diferentes. Uma forma é através de ajuste adicional do controlador PID ou PI. Outra forma é através da alteração do mecanismo de perfuração para uma transmissão mais alta. Em algumas aplicações, o modo fundamental ou de um nivel ou de niveis mais altos pode ser amortecido seletivamente por uma emdecisão computacional prévia (p.ex., utilizando predições com base na geometria da coluna). Em outras aplicações, o amortecimento pode ser seletivamente ativado monitorando o periodo do modo fundamental e aplicando o método quando o periodo do modo fundamental exceder um determinado limite.

[0012] Em contraste com alguns sistemas anteriores, o presente Pedido de Patente de Invenção é passivo no sentido de que nem o torque da coluna nem o torque de "drive" [direção] são necessários em um circuito de realimentação. Consequentemente, o amortecimento pode ser alcançado sem a necessidade de sensores adicionais para medir o torque da coluna, o que, de outra forma, aumentaria a complexidade e o custo.

[0013] Outros aspectos do presente Pedido de Patente de Invenção têm como base a percepção de que é possivel estimar a velocidade rotacional instantânea de uma broca (ignorando qualquer contribuição do motor de perfuração adicional) e tornar esta informação disponível para outros processos de controle na plataforma e/ou para o perfurador através de um console. Através da repetição do método, uma substancial estimativa em tempo real da velocidade da broca pode ser fornecida. A disposição destes dados pode ajudar um perfurador e/ou outro processo de controle de perfuração automática a determinar se o aspecto de ajuste do Pi deste Pedido de Patente de Invenção pode melhorar o desempenho de perfuração, p.ex., reduzindo o atrito.

[0014] De acordo com certos aspectos do presente Pedido de Patente de Invenção, é abordado um método de amortecimento das oscilações de atrito em uma coluna de perfuração, tal método compreendendo as etapas de: im(a) amortecimento das referidas oscilações de atrito utilizando um mecanismo de perfuração na parte superior da referida coluna de perfuração; e(b) controle da velocidade de rotação do referido mecanismo de perfuração utilizando um controlador PI (Controlador Proporcional Integral); caracterizado pelo fato de que a etapa:

[0015] (c) ajusta o referido controlador PI, de modo que o referido mecanismo de perfuração absorve a maior parte da energia torsional da referida coluna de perfuração em uma frequência que é ou está próxima às das referidas oscilações de atrito, e/ou na ou próximo à frequência fundamental e, pelo menos, a um modo de frequência mais alto das referidas oscilações de atrito. O mecanismo de perfuração pode compreender um "top drive" ou uma mesa rotativa, por exemplo. Deve-se observar que o controlador PI pode ser ajustado uma vez (por exemplo, ao encontrar o atrito pela primeira vez ou antes da perfuração), e nas ocorrências subsequentes de atrito o controlador PI pode ser utilizado novamente sem a necessidade de ser reajustado. Outra possibilidade é a de que o controlador PI seja reajustado cada vez que um atrito for encontrado, ou mesmo periodicamente, durante a fase de atrito da perfuração.

[0016] Em uma aplicação, o controlador PI é ajustado antes de ser utilizado para controlar o mecanismo de perfuração para amortecer as oscilações de atrito. Por exemplo, o controlador pode ser ajustado após encontrar as oscilações de atrito ou pode ser ajustado periodicamente durante a perfuração do poço, na medida em que a coluna de perfuração aumente. Uma possibilidade é de que o ajuste aconteça na medida em que cada seção de 30m da tubulação de perfuração seja adicionada à coluna de perfuração.

[0017] Em determinadas aplicações, o controlador PI pode ser ajustado para amortecer tanto a frequência fundamental quanto as oscilações de atrito do modo de um nivel ou de niveis mais altos; as opções para tais ajustes incluem: ajuste prévio da perfuração (por exemplo, com base em predições utilizando a geometria da coluna, ou simplesmente como uma precaução contra oscilações de modo em niveis mais altos, quer sejam esperadas ou não) ajuste ao encontrar um modo fundamental (quer sejam esperados modos em niveis mais altos ou não) ou o ajuste ao encontrar oscilações de atrito de modo em niveis mais altos.

[0018] Em algumas aplicações, as referidas oscilações de atrito compreendem ondas torsionais que se propagam ao longo da referida coluna de perfuração, e a etapa (c) compreende o ajuste do termo-I do referido controlador PI para ser dependente em um periodo aproximado das referidas oscilações de atrito e da inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração, através do qual o referido mecanismo de perfuração tem um coeficiente de reflexão dependente da frequência das referidas ondas torsionais, cujo coeficiente de reflexão está substancialmente a um minimo da, ou próximo à referida frequência das oscilações de atrito. Deve-se observar que não é essencial que a frequência de absorção de pico do mecanismo de perfuração atinja precisamente a frequência das oscilações de atrito (que, em algumas aplicações, é de frequência fundamental). Devido ao modo como o controlador Pi é ajustado, o mecanismo de perfuração possui uma largura de banda de frequência de absorção que é de uma largura (p.ex., ~0,4Hz) e magnitude (p.ex., menor que a reflexão a 85%) suficientes, de modo que o amortecimento ainda é efetivo, mesmo se as duas frequências não forem precisamente alcançadas. Isso representa uma vantagem significante do método. Tipicamente, a frequência fundamental das oscilações de atrito encontradas na prática situa-se na faixa de 0,1Hz (periodo de 10s) a 0,5Hz (periodo de 2s) e a frequência de absorção de pico causada pelo controlador PI pode estar dentro de 50% da frequência fundamental.

[0019] Em algumas aplicações, o ponto mais baixo da curva do coeficiente de reflexão-frequência possui um valor entre aproximadamente 50% (0,5) e 90% (0,9). Foi constatado que coeficientes de reflexão superiores a aproximadamente 90% podem fazer com que o mecanismo de perfuração se torne muito "rigido", reduzindo a chance de amortecer com êxito as oscilações de atrito. Por outro lado, foi constatado que um coeficiente de reflexão inferior a aproximadamente 50% faz com que o mecanismo de perfuração se torne muito "suave" e o desempenho de perfuração pode ser prejudicado, uma vez que o mecanismo de perfuração responde a mudanças muito pequenas no torque da coluna de perfuração, resultando em altas variações de velocidade.

[0020] A largura de banda de absorção é inversamente proporcional à inércia efetiva J do mecanismo de perfuração. Portanto, na medida em que a inércia efetiva de um mecanismo de perfuração aumenta, é preferível, embora não essencial, que um periodo de atrito aproximado seja estimado ou medido de forma mais precisa para assegurar que a frequência de maior amortecimento seja uma frequência de atrito real.

[0021] Em algumas aplicações, o método abordado compreende, ainda, a etapa de ajuste do referido termo-I, de acordo com I = ωs2 J onde ωsé uma frequência angular estimada ou aproximada das referidas oscilações de atrito e J é a inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração. ωspode, naturalmente, ser expresso em termos de outros parâmetros nesta fórmula, assim como o periodo ou frequência.

[0022] Em determinadas aplicações, a referida inércia efetiva compreende a inércia mecânica total do referido mecanismo de perfuração em um eixo de saida do mesmo. Isso se mostrou útil predominantemente para o amortecimento do modo fundamental das oscilações de atrito, embora modos em niveis mais altos sejam amortecidos até certa medida.

[0023] Em outras aplicações, o método abordado compreende, ainda, a etapa de redução da inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração, através do qual o efeito de amortecimento do referido mecanismo de perfuração é aumentado para frequências acima da referida frequência fundamental. Esta é uma etapa opcional significante do método que permite que as oscilações de modo de um nivel ou de niveis mais altos sejam amortecidas (e, em algumas aplicações, totalmente reparadas), ao mesmo tempo em que amortece o modo fundamental. Esta possibilidade é particularmente importante para colunas de perfuração extensas (tipicamente acima de cerca de 5 km de extensão) , onde as oscilações de modo em niveis mais altos são passiveis de serem problemáticas. A redução da inércia efetiva pode ser aplicada continuamente (quer seja esperado atrito de modo em niveis mais altos ou não) ou seletivamente, quer mediante a detecção de um modo fundamental do periodo maior que um determinado limite (p.ex., cinco segundos), ou em resposta à detecção de um modo em um nível ou em níveis mais altos durante a perfuração. Além disso, o valor de redução de inércia pode ser ajustado para alterar a quantidade de amortecimento em frequências mais altas.

[0024] Em algumas aplicações, a etapa de redução da referida inércia efetiva compreende a etapa de ajuste do referido controlador PI com um termo de torque adicional que é proporcional à aceleração angular do referido mecanismo de perfuração. Uma vez que a aceleração angular é rapidamente derivada da velocidade angular do mecanismo de perfuração, isso torna o método muito fácil de ser implementado em um controlador de velocidade operador por computador (por exemplo, um controlador implementado em um PLC, Controlador Lógico Programável).

[0025] Em determinados aspectos, o método compreende, ainda, a etapa de multiplicação da referida aceleração angular através de uma inércia de compensação (Jc) , tal inércia de compensação (Jc) sendo ajustável de modo a controlar a quantia de redução da inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração. A inércia de compensação pode ser um valor estático relativo (p.ex., configurado por um perfurador através de um console) ou um valor dinâmico (p.ex., ajustado em tempo real de acordo com as condições de perfuração) Tipicamente, a inércia de compensação (Jc) pode ser ajustada de modo a reduzir a referida inércia efetiva entre 0 e 80%.

[0026] Em algumas aplicações, o método abordado compreende, ainda, a etapa de ajuste do referido termo-I do referido controlador PI de acordo com I = ωi?2J onde ωsé uma frequência angular estimada ou aproximada das referidas nmoscilações de atrito e J é o valor reduzido da inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração.

[0027] Em determinadas aplicações, o referido mecanismo de perfuração possui uma largura de banda de absorção de energia torsional para as oscilações de atrito, o tamanho da referida largura de banda sendo alcançável a partir de seu máximo de meia largura total, através do qual e sob a redução da inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração o tamanho do referido máximo de meia largura total é maior. A utilização de FWHM fornece uma forma conveniente para comparar diferentes larguras de banda de absorção.

[0028] Em algumas aplicações, o referido mecanismo de perfuração possui uma curva de amortecimento dependente de frequência tendo um amortecimento máximo, o método compreendendo, ainda, a etapa de desvio do referido ponto de amortecimento máximo para frequências mais altas, através do qual o efeito de amortecimento do referido mecanismo de perfuração em, pelo menos, algumas frequências mais altas é aumentado e o amortecimento da referida frequência fundamental é reduzido. Isso é aqui referido como desajuste e, opcionalmente, é realizado se oscilações de atrito de modo em niveis mais altos não forem reduzidas eu reparadas pelo método de compensação de inércia.

[0029] Em alguns aspectos, a referida etapa de desvio compreende a determinação do termo-I do referido controlador PI como I = ωs2 J no qual o valor de periodo ωsé maior do que o periodo aproximado da referida frequência fundamental, através do qual a referida curva de amortecimento dependente de frequência é desviada em direção às frequências mais altas e o amortecimento de, pelo menos, um modo de nivel mais alto de oscilação é aumentado acima da quantia de amortecimento alcançável ao utilizar o referido periodo aproximado para determinar o referido termo-I. 0 valor de periodo pode ser 40% maior que o referido periodo aproximado.

[0030] Em algumas aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de redução posterior da referida inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração ao realizar a referida etapa de desvio, através do qual o estreitamento de uma largura de faixa de absorção da referida curva de amortecimento é inibida. Em determinados aspectos, isso pode ser obtido pela redução da referida inércia efetiva e pelo aumento do referido valor de periodo pelo mesmo fator.

[0031] Em outras aplicações, a etapa de redução da referida inércia efetiva compreende a alteração para uma transmissão mais alta do mecanismo de perfuração. Ao invés de obter uma redução da inércia efetiva através do controlador de velocidade, um efeito similar pode ser obtido alterando para uma transmissão mais alta (presumindo que o mecanismo de perfuração possui mais do que uma transmissão). Deste modo, prevê-se que o controlador PI pode ser ajustado para amortecer predominantemente a frequência de atrito fundamental e, se e quando as oscilações de modo de um nivel ou de niveis mais altos forem encontradas, o mecanismo de perfuração pode ser desviado para uma transmissão mais alta, para aumentar o amortecimento nas frequências mais altas.

[0032] Em outras aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de monitoramento do referido mecanismo de perfuração para verificar a ocorrência do modo de um nivel ou de niveis mais altos de oscilação e, quando \vπdetectado, proceder à realização de quaisquer etapas de amortecimento do modo de niveis mais altos estabelecidas acima, a fim de amortecer o referido modo de um nivel ou de niveis mais altos de oscilação. 0 monitoramento pode ser nealizado por observação computacional da velocidade de rotação do mecanismo de perfuração, por exemplo.

[0033] Em outros aspectos, o método compreende, ainda, a etapa de monitoramento de um periodo da referida frequência fundamental, comparando o referido periodo com um periodo limite e, se o referido periodo exceder o referido periodo limite, proceder à realização de quaisquer etapas de amortecimento do modo de niveis mais altos estabelecidas acima para amortecer o referido modo de um nivel ou de niveis mais altos de oscilação. Um exemplo de um periodo limite é cinco segundos. Uma vez que o periodo de atrito fundamental aumenta para além disso, a inércia efetiva é reduzida para neutralizar quaisquer oscilações de modo de niveis mais altos. Em algumas aplicações, a referida inércia efetiva é reduzida na medida em que o supramencionado periodo limite aumenta. Por exemplo, a inércia efetiva pode ser reduzida em função do periodo monitorado. Em um exemplo particular, a inércia efetiva é reduzida linearmente de 100% a 25% de seu valor total, uma vez que o periodo monitorado aumenta entre cerca de cinco segundos e oito segundos.

[0034] Em outras aplicações, o controlador PI pode compreender um controlador PID, no qual o termo derivativo não é utilizado na implementação da redução da inércia efetiva. Por exemplo, um controlador PID digital padrão pode ser adaptado (p.ex., ser ajustado com código de fonte de baixo nível) para implementar a redução da inércia efetiva.

[0035] Em outras aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de medição do referido período aproximado das oscilações de atrito para utilização no ajuste do referido termo-I. Em determinadas aplicações, esta medição pode ser realizada automaticamente por um PLC (Controlador Lógico Programável), por exemplo. Neste caso, o período aproximado pode ser determinado utilizando a geometria de coluna de perfuração ou poder ser determinado por observação computacional do torque de "drive". Outra possibilidade é que o período aproximado seja estimado por um perfurador, por exemplo, determinando com um cronômetro o tempo das oscilações de torque mostradas no console do perfurador, ou simplesmente ouvindo as mudanças na intensidade do(s) motor (es) do mecanismo de perfuração e determinando o tempo do período deste modo. O perfurador pode inserir o período de atrito aproximado em um console para ser processado por um PCL, para ajustar o termo-I do controlado PI.

[0036] Em algumas aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de ajuste do termo-P do referido controlador PI para ser da mesma ordem de grandeza que a impedância característica da referida coluna de perfuração. Dessa forma, o coeficiente de reflexão do mecanismo de perfuração pode ser reduzido ainda mais, aumentando o efeito de amortecimento.

[0037] Em outras aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de ajuste do referido termo-P de tal modo que o referido coeficiente de reflexão não desaparece completamente, e por meio do qual o modo fundamental das referidas oscilações de atrito é impedido de se dividir em dois novos modos com frequências diferentes.

[0038] Em algumas aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de ajuste do referido termo-P como P = ^ / a onde a é um fator de mobilidade que permite o ajuste do referido termo-P durante a perfuração, por meio do qual a absorção de energia das referidas oscilações de atrito pelo referido mecanismo de perfuração pode ser aumentada ou reduzida. O fator de mobilidade pode ser ajustado automaticamente por um controlador (p.ex., PLC) e/ou pode ser ajustado manualmente por um perfurador. Dessa forma, a suavidade do mecanismo de perfuração pode ser ajustada para alcançar um equilíbrio entre o amortecimento das oscilações de atrito e o desempenho de perfuração.

[0039] Em alguns aspectos, o método compreende, ainda, a etapa de aumento do referido fator de mobilidade, se a magnitude das referidas oscilações de atrito não desaparecer ou for reduzida substancialmente. Dessa forma, a suavidade do mecanismo de perfuração é aumentada (isto é, torna-se mais responsiva a variações de torque menores).

[0040] Em outros aspectos, o método compreende, ainda, a etapa de redução do referido fator de mobilidade, uma vez que a magnitude das referidas oscilações de atrito tenha substancialmente desaparecido ou sido reduzida, por meio do qual a eficiência de perfuração é aumentada sem reaparição ou aumento em magnitude das referidas oscilações de atrito. Dessa forma, a suavidade do mecanismo de perfuração é reduzida (isto é, torna-se menos responsiva a variações de torque menores).

[0041] Em outras aplicações, o referido controlador Pl é separado de um controlador de velocidade do mecanismo de perfuração, o método compreendendo, ainda, a etapa de contorno do referido controlador de velocidade do mecanismo de perfuração com o referido controlador PI durante o amortecimento das referidas oscilações de atrito. O controlador Pi pode ser fornecido em uma plataforma de perfuração separada do mecanismo de perfuração, quer sobre uma nova plataforma ou como uma atualização de uma plataforma existente no campo. Em uso, quando ocorrerem as oscilações de atrito, o PLC (Controlador Lógico Programável) pode ativar o controlador de velocidade exclusivo do mecanismo de perfuração, (quer automaticamente ou sob o controle de um perfurador) para controlá-lo, conforme especificado acima.

[0042] Em outras aplicações, o referido mecanismo compreende o referido controlador PI, o método compreendendo, ainda, as etapas de ajuste do referido controlador PI quando ocorrerem as referidas oscilações de atrito, e deixando o referido controlador PI normalmente não ajustado. Em tais aplicações, o controlador PI pode ser parte de um controlador de velocidade exclusivo em um mecanismo de perfuração, tal como um "top drive". O controlador PI pode ser fornecido como um software instalado em um PLC ou em outro mecanismo de controle por computador no momento da fabricação. Em uso, o controlador PI é utilizado continuamente, mas somente precisa ser ajustado como descrito acima quando ocorrerem as oscilações de atrito. Este ajuste pode ser ativado automaticamente pelo software de controle remoto de perfuração (p.ex., o console do perfurador dentro ou fora do local) e/ou pode ser controlado pelo perfurador utilizando o console do perfurador.

[0043] Em algumas aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de estimativa de velocidade rotacional instantânea da estrutura inferior do poço na extremidade inferior da referida coluna de perfuração, através da combinação da conformidade torsional conhecida da referida coluna de perfuração com as variações de um torque de "drive" do referido mecanismo de perfuração. Esta é uma característica opcional particularmente útil deste Pedido de Patente de Invenção e o resultado pode ser mostrado no console do perfurador ou, de outro modo, ajudar o perfurador a visualizar o que está acontecendo no poço.

[0044] Em outras aplicações, as variações do torque de "drive" são expressas somente em uma frequência fundamental das referidas oscilações de atrito, através da qual a referida etapa de estimativa é simplificada de tal modo que pode ser implementada pelo PLC (Controlador Lógico Programável) e realizada em tempo real. As variações do torque de "drive" compreendem um espectro de frequência que torna o sinal de torque de "drive" dificil de analisar. Percebemos que isso é suficiente apenas para analisar o componente de frequência fundamental das variações de torque de "drive" e que isso permite que a análise seja realizada em tempo real com um PLC, por exemplo.

[0045] Em algumas aplicações, a referida etapa de estimativa compreende uma passagem de banda que filtra o sinal de torque de "drive" com um filtro de passagem de banda localizado em uma frequência aproximada das referidas oscilações de atrito. Isso ajuda a remover a maior parte das frequências mais altas e mais baixas no sinal de torque. A frequência aproximada pode ser determinada conforme descrito acima.

[0046] Em determinados aspectos, a referida estimativa de velocidade rotacional instantânea compreende a determinação da velocidade de perfuração utilizando uma conformidade estática total da coluna de perfuração e um parâmetro de fase, e a determinação da soma de (i) um sinal filtrado de passagem baixa, representando uma velocidade de rotação do referido mecanismo de perfuração e (ii) a referida velocidade de perfuração.

[0047] Em outras aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de determinação da referida estimativa periodicamente e a apresentação da referida estimativa no console do perfurador, através do qual um perfurador é equipado com uma substancial estimativa de tempo real da velocidade rotacional instantânea da referida estrutura inferior do poço.

[0048] Em algumas aplicações, o método compreende, ainda, a etapa de determinação da gravidade do atrito como a taxa de amplitude da velocidade dinâmica do poço sobre a velocidade rotacional média do referido mecanismo de perfuração, no qual a gravidade do atrito é utilizável para fornecer um sinal de saida que indica a gravidade do atrito naquele momento.

[0049] De acordo com outro aspecto do presente Pedido de Patente de Invenção, é fornecido um método de perfuração de um poço, tal método compreendendo as etapas de:

[0050] rotação de uma coluna de perfuração com um mecanismo de perfuração, de modo a girar uma broca de znmperfuração até a extremidade inferior da referida coluna de perfuração, através da qual a superfície do solo é perfurada, e resposta à detecção de oscilações de atrito da referida coluna de perfuração utilizando um controlador Pi para controlar o referido mecanismo de perfuração, cujo controlador Pi foi ajustado por um método de acordo com quaisquer das reivindicações 1 a 27.

[0051] Deve-se observar que o controlador PI pode ser ajustado uma vez (por exemplo, após encontrar o atrito pela primeira vez) e nas ocorrências subsequentes de atrito o controlador PI pode ser utilizado sem reajuste. Naturalmente, outra possibilidade é que o controlador PI seja reajustado cada vez que um atrito for encontrado, ou mesmo durante a progressão do atrito.

[0052] O método de ajuste do PI deve, portanto, ser utilizado seletivamente durante a perfuração para responder às oscilações de atrito. Em outros momentos, o controlador PI pode ser deixado sem ajuste, de modo que o controlador de velocidade do mecanismo de perfuração adquire um comportamento rigido padrão (isto é, com um coeficiente de reflexão aproximadamente igual a 1).

[0053] Ainda de acordo com outro aspecto do presente Pedido de Patente de Invenção, é fornecido um método para estimar a velocidade rotacional instantânea da estrutura inferior do poço na extremidade inferior de uma coluna de perfuração, tal método compreendendo as etapas de combinação de uma conformidade torsional conhecida da referida coluna de perfuração com variações de um torque de "drive" do referido mecanismo de perfuração. Tal método pode ser realizado quer 2\mdentro ou fora do local, quer durante a perfuração ou após uma sessão de perfuração de um poço.

[0054] Tal método fornece uma ferramenta de análise de perfuração para determinar se o aspecto de ajuste do controlador PI deste Pedido de Patente de Invenção pode melhorar o desempenho de perfuração. Consequentemente, o software para executar este método pode ser fornecido separadamente do software para executar o método de ajuste. O software de estimativa da velocidade rotacional pode ser fornecido no controlador de um novo mecanismo de perfuração (isto é, incluído no momento da fabricação), como uma atualização de um mecanismo de perfuração existente (p. ex., realizado quer no local ou remotamente, utilizando uma conexão de satélite com um sistema computacional na plataforma de perfuração), ou como um produto de programa computacional (p. ex., em um CD-ROM ou como um download a partir de um site) para instalação por um operador de plataforma.

[0055] Em determinados aspectos, o método de estimativa da velocidade rotacional compreende, ainda, as etapas de estimativa conforme especificado acima.

[0056] De acordo com outro aspecto do presente Pedido de Patente de Invenção, é fornecido um mecanismo de perfuração para uso na perfuração de um poço, tal mecanismo de perfuração compreendendo um controlador eletrônico contendo um controlador PI e uma memória com instruções computacionais executáveis armazenadas que, quando executadas, fazem com que o referido controlador eletrônico ajuste o referido controlador PI de acordo com as etapas de ajuste estabelecidas acima.

[0057] Ainda de acordo com outro aspecto do presente Pedido de Patente de Invenção, é fornecido um controlador eletrônico para uso com um mecanismo de perfuração para a perfuração de um poço, tal controlador eletrônico compreendendo um controlador PI e uma memória com instruções computacionais executáveis armazenadas que, quando executadas, fazem com que o referido controlador eletrônico ajuste o referido controlador PI de acordo com as etapas de ajuste estabelecidas acima. Tal controlador eletrônico é útil para atualizar plataformas de perfuração existentes ou onde seja desejável ou necessário que o controlador eletrônico seja separado do mecanismo de perfuração.

[0058] De acordo com outro aspecto do presente Pedido de Patente de Invenção, é abordado um método de atualização de um mecanismo de perfuração em uma plataforma de perfuração, tal método compreendendo as etapas de atualização das instruções computacionais executáveis para um controlador eletrônico na referida plataforma de perfuração, cujo controlador eletrônico é utilizado para controlar a operação do referido mecanismo de perfuração, caracterizado pelo fato de que as referidas instruções computacionais executáveis compreendem instruções para a execução de um método de ajuste conforme estabelecido acima. Tal atualização pode ser realizada no local ou pode ser realizada remotamente, utilizando uma conexão de satélite, por exemplo.

[0059] De acordo com determinados aspectos do presente Pedido de Patente de Invenção, é abordado um método de amortecimento de oscilações de atrito em uma coluna de perfuração, tal método compreendendo as etapas de:

[0060] amortecimento das referidas oscilações de atrito utilizando um mecanismo de perfuração na parte superior da referida coluna de perfuração; e

[0061] controle da velocidade de rotação do referido mecanismo de perfuração utilizando um controlador PI; caracterizado pela etapa de:

[0062] redução da inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração, através do qual tanto a frequência fundamental quanto, pelo menos, um modo de nivel mais alto (harmônico) de oscilação de atrito são amortecidos ao mesmo tempo. A inércia efetiva pode ser reduzida ajustando o referido controlador PI (que inclui um controlador PID) e/ou alterando o referido mecanismo de perfuração para uma transmissão mais alta.

[0063] Determinadas aplicações deste Pedido dePatente de Invenção não estão limitadas a nenhuma característica individual particular aqui divulgada, mas incluem combinações entre si distintas das da técnica precedente em suas estruturas, funções e/ou resultados obtidos.

[0064] As características do presente Pedido de Patente de Invenção foram amplamente descritas, de modo que as descrições detalhadas apresentadas a seguir possam ser mais bem entendidas e para que as contribuições deste Pedido de Patente de Invenção para a técnica possam ser mais bem apreciadas. Há, obviamente, aspectos adicionais do Pedido de Patente de Invenção descritos abaixo que podem ser incluídos na matéria objeto das reivindicações deste Pedido de Patente de Invenção. Aqueles especializados na técnica que possuem o beneficio deste Pedido de Patente de Invenção, seus ensinamentos e sugestões apreciarão o fato de que as concepções desta divulgação podem ser utilizadas como uma base criativa para projetar outras estruturas, métodos e sistemas para a execução e prática do presente Pedido de Patente de Invenção. As reivindicações deste Pedido de Patente de Invenção devem ser lidas para incluir quaisquer dispositivos ou métodos legalmente equivalentes que não se afastem do espirito e escopo do presente Pedido de Patente de Invenção.

[0065] O presente Pedido de Patente de Invenção reconhece e aborda os problemas previamente mencionados e as necessidades há muito sentidas e fornece uma solução para estes problemas e uma abordagem satisfatória destas necessidades em várias possíveis aplicações e seus equivalentes. Para aqueles com habilidade na técnica que possuem os benefícios das realizações, ensinamentos, divulgações e sugestões deste Pedido de Patente de Invenção, outros objetivos e vantagens serão apreciados a partir da descrição seguinte de determinadas aplicações exclusivas, dadas para fins de divulgação, quanto tomadas em conjunto com os desenhos que as acompanham. Os detalhes nestas descrições não se destinam a impedir o objeto desta patente de reivindicar este Pedido de Patente de Invenção, não importa como os outros possam disfarçá-la posteriormente por variações em forma, alterações ou adições de melhorias vindouras.

[0066] Deve-se compreender que as várias aplicações do presente Pedido de Patente de Invenção podem incluir uma, algumas ou todas as melhorias e/ou vantagens técnicas e/ou elementos divulgados, enumerados e/ou descritos nas reivindicações deste Pedido de Patente de Invenção.

[0067] Para um melhor entendimento do presente Pedido de Patente de Invenção, referências serão feitas agora, apenas a titulo de exemplo, com relação aos desenhos anexos, no qual:

[0068] A figura 1 é uma visualização lateral esquemática de um equipamento de perfuração utilizando um método de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção;

[0069] A figura 2 é um diagrama de bloco esquemático de um PLC, compreendendo um controlador de velocidade de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção;

[0070] A figura 3 é um gráfico de frequência versus coeficiente de reflexão, mostrando uma comparação entre um mecanismo de perfuração que utiliza um controlador de velocidade de acordo com este Pedido de Patente de Invenção e um controlador de velocidade padrão;

[0071] As figuras 4A' e 4A" é uma imagem da primeira tela disponível no console do perfurador para configuração e controle do método de acordo com este Pedido de Patente de Invenção;

[0072] A figuras 4B' e 4B" é uma imagem da segunda tela disponível no console do perfurador que ilustra o torque de "drive" em tempo real e uma estimativa da velocidade de rotação de perfuração da estrutura inferior do poço na Figura 1;

[0073] As figuras 5 e 6 são gráficos ilustrando os resultados de uma simulação computacional delineando um método de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção;

[0074] As figuras 7 e 8 são gráficos ilustrando os resultados de um teste de um método de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção;

[0075] A figura 9 é um gráfico de frequências normalizadas versus inércia da BHA normalizada;

[0076] A figura 10 é um gráfico ilustrando os três primeiros modos de oscilação torsional de uma coluna de perfuração;

[0077] A figura 11 é um gráfico de frequência versus coeficiente de reflexão mostrando uma comparação entre um mecanismo de perfuração, utilizando: um controlador de velocidade padrão, uma primeira aplicação de um controlador de velocidade de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção e uma segunda aplicação de um controlador de velocidade de acordo com este Pedido de Patente de Invenção;

[0078] A figura 12 é um gráfico de frequência versus coeficiente de reflexão ilustrando um aspecto de desajuste da segunda aplicação do presente Pedido de Patente de Invenção;

[0079] A figura 13 mostra um gráfico similar ao da Figura 11 mostrando o efeito de atraso e um filtro de passagem de banda em um controlador de velocidade de acordo com a segunda aplicação;

[0080] A figura 14 são gráficos ilustrando os resultados de um modelo de simulação computacional de um segundo método de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção; e

[0081] A figura 15 é um gráfico de frequência versus coeficiente de reflexão de uma terceira aplicação de um método de amortecimento de oscilações de frequência de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção.

[0082] Com relação à Figura 1, um equipamento de perfuração 10 controla uma operação de perfuração utilizando uma coluna de perfuração 12 que compreende extensões de tubulações de perfuração 14 aparafusadas em conjunto de ponta a ponta. O equipamento de perfuraçãolO pode ser qualquer tipo de equipamento de perfuração petrolifero, de mineração, geotérmico ou utilitário, incluindo: plataformas flutuantes e plataformas de terra, plataformas móveis e de inclinação, plataformas submersíveis e semi-submersiveis, navios de perfuração e plataforma auto-elevatória. Uma coluna de perfuração tipica possui uma extensão entre 0 e 5 km ou mais e possui em sua parte mais baixa uma quantidade de anéis de perfuração ou tubulação de perfuração pesada (HWDP). Os anéis de perfuração têm espessura mais grossa do que a tubulação de perfuração, a fim de resistir ao empenamento sob as forças de compressão: a tubulação de perfuração pode ter um diâmetro externo de 127 mm e uma espessura de parede de 9 mm, enquanto que um anel de perfuração pode ter um diâmetro externo de até 250 mm e uma espessura de parede de 85 mm, por exemplo.

[0083] Uma estrutura inferior do poço (BHA = bottom hole assembly) 16 é posicionada na extremidade inferior de uma coluna de perfuração 12. Uma BHA tipica 16 compreende um transmissor MWD 18 (que pode ser, por exemplo, um sistema de telemetria com fio, um sistema de telemetria por pulso de perfuração [NT: mud pulse telemetry system = técnica de envio de dados de perfuração codificados através de pulsos de pressão crescentes e decrescentes], um sistema de telemetria eletromagnético, um sistema de telemetria acústico ou um sistema de telemetria de tubulação com cabo), centralizadores 20, uma ferramenta direcional 22 (que pode ser uma sonda ou um anel montado), estabilizadores (fixos ou variáveis) e uma broca de perfuração 28, que em uso é girada por um "top drive"30 através de uma coluna de perfuração 12.

[0084] O equipamento de perfuração 10 compreende um mecanismo de perfuração 30. A função do mecanismo de perfuração 30 é girar a coluna de perfuração 12 e, por meio dela, a broca de perfuração 28 na extremidade inferior. Atualmente, a maior parte dos equipamentos de perfuração utiliza "top drives"para girar a coluna de perfuração 12 e a broca 28 para realizar a perfuração. No entanto, alguns equipamentos de perfuração utilizam uma mesa rotativa e o presente Pedido de Patente de Invenção é igualmente aplicável para tais equipamentos. O presente Pedido de Patente de Invenção é também igualmente útil em perfurações de qualquer tipo de poço, p. ex., reto, fora de padrão, horizontal e vertical.

[0085] Uma bomba 32 é colocada na superfície e, em uso, bombeia o fluido da perfuração através da coluna de perfuração 12 e através da broca de perfuração 28 e serve para resfriar e lubrificar a broca durante a perfuração e para devolver o cascalho para a superfície no espaço anular formado entre a coluna de perfuração 12 e o poço (não mostrado).

[0086] As informações e dados de perfuração são exibidos no console do perfurador 34 que compreende uma tela sensivel ao toque 36 e um aparelho de controle do usuário, p.ex., um teclado (não mostrado) para controlar, pelo menos, parte do processo de perfuração. Um PLC digital 38 envia para e recebe dados do console 34 e do "top drive"30. Em particular, o perfurador é capaz de definir um comando de velocidade e um limite de torque para o "top drive" controlar a velocidade na qual a broca de perfuração 28 gira.

[0087] Com relação à Figura 2, o PLC 38 (Controlador Lógico Programável) compreende uma memória flash não-volátil 40 (ou 5 outras memórias, tais como um RAM apoiado por bateria). A memória armazena instruções computacionais executáveis que, quanto executadas, realizam a função de um controlador de velocidade 42 para o "top drive" 30. O controlador de velocidade 42 compreende um controlador PI com anti-finalização que funciona conforme descrito em maiores detalhes logo abaixo. Nesta aplicação, o controlador de velocidade 42 é separado e distinto com relação ao "top drive" 30. No entanto, é possivel fornecer a funcionalidade do controlador de velocidade, conforme descrito aqui, como parte de um controlador de velocidade integrado e exclusivo de um "top drive". Tal funcionalidade integrada pode ser fornecida ou no momento da fabricação ou pode ser parte de uma atualização de software realizada em um "top drive", quer dentro ou fora do local. Em outras aplicações, o PLC pode ser um PLC análogo.Ajuste do Controlador PI

[0088] A coluna de perfuração 12 pode ser considerada como uma linha de transmissão de ondas torsionais. Uma variação do torque de fricção na broca de perfuração 28 ou em qualquer outro lugar ao longo da coluna gera uma onda torsional que se propaga para cima e é particularmente refletida em descontinuidades geométricas. Quando a onda transmitida alcança o "top drive" 30, ela é parcialmente refletida para a coluna de perfuração 12. Para um "top drive" com um controlador de velocidade rígido e/ou de inércia alta a reflexão é quase total, de modo que apenas uma pequena quantidade de energia é absorvida pelo "top drive".

[0089] Para quantificar o amortecimento induzidopelo "top drive", um coeficiente de reflexão complexo r para ondas torcionais na interface "top drive"/coluna de perfuração pode ser definido conforme segue:

[0090] onde / é a impedância característica paraondas torsionais e Z é a impedância do "top drive". A impedância característica é proporcional ao momento transversal polar de inércia da tubulação e varia grosso modo como a 4a potência do diâmetro da tubulação. Observe que o coeficiente de reflexão é uma função complexa onde, em geral, tanto a magnitude quanto a fase variam com a frequência. Se o controlador de velocidade é rígido (isto é, |Z| >>/ ), então, o coeficiente de reflexão se aproxima de -1 e quase 100% da energia de onda torsional é refletida à coluna de perfuração 12 pelo "top drive" 30.

[0091] Uma representação complexa da impedânciade um "top drive" pode ser determinada conforme segue. Se a anti-finalização do controlador de velocidade é negligenciada (a qual é uma função não-linear que limita o torque) o torque de "drive" do "top drive" 30 pode ser escrito como:

[0092] onde Pel são os fatores de proporção eintegração, respectivamente, do controlador de velocidade eΩ é a velocidade real do "drive"de saída (em rad/s) e Ωseté o ponto de ajuste da velocidade do "drive"(em rad/s). 0 torque de "drive" é, na prática, a soma do torque do motor multiplicado pela taxa de transmissão ng(velocidade do motor / velocidade de saida, >1) . Observe que o controle de velocidade aqui se refere ao eixo de saida do "top drive". É mais comum que o controle de velocidade se refira ao eixo do motor; nesse caso, os valores correspondentes de P e I para o controle da velocidade do motor seria, então, um fator l/ng2 mais baixo que acima.

[0093] Desprezando as perdas de transmissão, a equação de movimento do eixo de saida do "top drive" é:

[0094] onde J é a inércia efetiva do mecanismode perfuração (incluindo os motores do "drive"e engrenagem) e T é o torque externo da coluna. Nesta aplicação, a inércia efetiva é igual à inércia mecânica total do mecanismo de perfuração 30. Combinando as equações (2) e (3) e aplicando a transformada de Fourier, tem-se a seguinte equação de movimento:

[0095] Para simplificar, os mesmos nomes das variáveis foram utilizados, como nas equações com base em tempo, embora Ω, Ωsete T representem agora amplitudes complexas. O fator de tempo implícito é exp(iωt ), onde

é a unidade imaginária e

frequência angular do "top drive" 30. Se assumirmos que não há realimentação em cascata através da velocidade estabelecida (conforme o encontrado em sistemas de realimentação de torque), a amplitude de velocidade estabelecida desaparece e a equação acima é simplificada para:

[0096] A taxa negativa - T / Ω é chamada de impedância da extremidade superior Z da coluna:

[0097] Esta impedância pode ser facilmente generalizada para um controlador PID ideal, através da adição de um novo termo iωD a ele, onde D é o termo derivativo do controlador. Um termo-D positivo (normal) irá aumentar a inércia efetiva do "top drive", (como visto pelas ondas torsionais que se propagam através da coluna de perfuração), enquanto um fator negativo irá reduzi-lo. Na prática, devido à diferenciação de tempo da velocidade medida ser um processo de direção de ruidos que melhora o ruido de alta frequência, o termo-D em um controlador PID é normalmente combinado com um filtro de passagem baixo. Este filtro introduz um eixo de fase que torna a impedância efetiva mais complicada e isso, portanto, aumenta o risco de criar instabilidades em algumas frequências, conforme exemplificado abaixo. Assim, embora o controlador PID com um termo-D possa ser utilizado para realizar o aspecto de ajuste deste Pedido de Patente de Invenção, isso não é recomendado. No entanto, em outro aspecto do presente Pedido de Patente de Invenção descrito abaixo, descobrimos uma forma de ajustar a inércia efetiva do mecanismo de perfuração sem esta desvantagem.

[0098] Combinando as equações (1) e (6), tem-se a seguinte expressão para o coeficiente de reflexão, válido para "top drives" de velocidade controlada do tipo PI:

[0099] Sua magnitude tem uma igualdade minima de:

[00100] onde os termos imaginários desaparecem, isto é, quando a frequência angular do "top drive" 30 se iguala a

. Para controladores de velocidade rigidos padrão esta frequência é normalmente maior que a frequência de atrito (vide Fig. 3 e descrição associada). No entanto, descobrimos que o ajuste do termo-I do controlador PI também ajusta a frequência de absorção de pico das ondas torsionais pelo "top drive" 30. Em particular, o termo-I pode ser ajustado de modo que a absorção máxima de energia das ondas torsionais ocorra em ou próxima à frequência de atrito ωs (i.e, quando a magnitude do coeficiente de reflexão é minima), conforme segue:

[00101] Esta realização é significante visto que, como uma primeira etapa para alcançar um bom amortecimento, o termo-I do controlador PI é dependente apenas da frequência de atrito e da inércia efetiva do "top drive" 30. Uma vez que a inércia efetiva é rapidamente determinada, quer antes da operação ou a partir das figuras especificadas pelo fabricante, e visto que a frequência de atrito pode ser rapidamente determinada durante a perfuração, isso torna o ajuste do controlador PI objetivo, enquanto obtém uma boa absorção de energia pelo "top drive" 30 das oscilações de atrito.

[00102] Esta primeira etapa de ajuste do controlador de velocidade é uma boa primeira etapa em direção a um amortecimento efetivo das oscilações de atrito. No entanto, o amortecimento pode ser melhorado. Em particular, o termo-I não ajustado do controlador de velocidade ainda é bastante alto, isto é, P >><j, mantendo o coeficiente de reflexão próximo a -1. Descobrimos que para obter um amortecimento suficiente das oscilações de atrito, o termo-P do controlador de velocidade deve ser diminuído, de modo que seja da mesma ordem de magnitude da impedância característica . No entanto, também descobrimos que não é desejável que o coeficiente de reflexão desapareça completamente, porque isso mudaria radicalmente a dinâmica da coluna de perfuração 12 e o modo do pêndulo se dividiria em dois novos modos, cada um com uma frequência diferente. Além disso, um controlador de velocidade extremamente suave que absorvesse quase toda a energia das ondas incidentes criaria flutuações de velocidade muito altas no "top drive" 30, em resposta às variações de torque da perfuração. Isso pode reduzir a eficiência da perfuração.

[00103] Descobrimos que o termo-P pode ser selecionado como um múltiplo não inteiro da impedância característica da coluna de perfuração, o qual pode ser expresso como P = <j/a, onde a é um fator de mobilidade normalizado (adimensional) menor que a unidade que é ajustável (10)por computador ou pelo operador dentro de determinadoslimites, conforme descrito abaixo. Uma vez definido o termo-I para fazer a parte imaginária da equação (7) desaparecer,definir o termo-P conforme descrito faz com que o minimo docoeficiente de reflexão (i.e., a absorção do pico de energiapelo "top drive") na frequência de atrito ωs, se torne:

[00104] Ao permitir o ajuste do fator de mobilidade a, a quantidade de energia refletida para a coluna de perfuração 12 pode ser controlada, dentro de limites. Estes limites podem ser definidos permitindo apenas uma determinada faixa de valores para a, tais como de 0,05 a 0,33. Isso corresponde a uma faixa de magnitude de rmin de cerca de 0,9 a 0,5. Acredita-se que esta faixa permite que o amortecimento seja controlado, de modo que as oscilações de atrito possam ser inibidas. Se o controlador de velocidade 42 for muito mais rigido do que isso (i.e., com um coeficiente de reflexão maior que cerca de 0,9) percebemos que muito da energia torsional das oscilações de energia é refletida na coluna de perfuração 12. Além disso, se o controlador de velocidade 42 for muito suave (i.e., com um coeficiente de reflexão menor que cerca de 0,5) percebemos que o desempenho de perfuração (p.ex., em termos de ROP) pode ser afetado.

[00105] Um controlador de velocidade padrão é projetado para manter a velocidade do motor constante e P e I reais constantes com relação ao eixo do moto. Um motor de "drive"tipico com uma potência nominal de 900 kW e uma inércia de motor de Jm = 25kgm2é tipicamente controlado por um controlador de velocidade do motor de Pm = 500 Nms. O fator- I do controlador de velocidade é mais comumente determinado de forma indireta, como o fator-P dividido por uma integração de tempo constante de normalmente €i = 0,3s. Como exemplo, considere uma "drive" com um motor conectado ao eixo de saida com uma transmissão tendo uma inércia de Jg = 250kgm2 e uma taxa de transmissão de ng = 5,32. A inércia de "drive" efetiva é, então, Jd = Jg + ng2 Jm = 960kgm2. Os fatores do controlador de velocidade efetivos relativos ao eixo de saida são semelhantemente P = ng2 Pm ~ 14000Nms e I = P/€i ~ 47000Nm. Em comparação, a impedância característica para uma tubulação de 5 polegadas com Ç « 340 Nms é apenas 2,4% da parte real da impedância de "drive".

[00106] A Figura 3 é um gráfico 48 de magnitude do coeficiente de reflexão |r| versus a frequência e mostra a diferença entre um controlador de velocidade rigida padrão (curva 50) e um controlador de velocidade ajustado de acordo com o presente Pedido de Patente de Invenção (curva 52) . O último é calculado com um fator de mobilidade de a = 0,25 e um termo-I fornecendo amortecimento máximo a 0,2Hz (periodo de atrito de 5s). Nesta frequência, a reflexão é reduzida de cerca de 0,993 (controlador PI padrão) para 0,6 (controlador PI ajustado conforme acima), o que representa uma dramática melhoria no amortecimento pelo "top drive" na frequência de atrito.

[00107] Vale ressaltar o fato de que em ambos os casos, o coeficiente de reflexão permanece abaixo de 1, mas se aproxima desse limite uma vez que a frequência se aproxima quer de zero ou infinito. Por conseguinte, o controlador PI padrão nunca fornece um amortecimento negativo que possa de outro modo amplificar os componentes de vibração torsional. No entanto, o amortecimento é insatisfatório e distante da relativamente estreita banda de absorção a l-2Hz. Em contraste, o controlador PI ajustado fornece uma banda de absorção comparativamente ampla, com menos de 80% de reflexão entre cerca de 0,1Hz e 0,4Hz. Há, inclusive, um substancial efeito de amortecimento remanescente (|r|=0, 965) a 0,6 Hz, que é três vezes a frequência de atrito e se aproxima da segunda frequência de ressonância da coluna de perfuração.

[00108] A inércia efetiva J do mecanismo de perfuração, a impedância característica / e a frequência de atrito ωsalteram a largura de banda de absorção da curva de reflexão-frequência na Figura 3. Em particular, a largura de banda de absorção é inversamente proporcional à taxa de ωsJ / /. Para um mecanismo de perfuração com uma grande inércia efetiva e/ou uma tubulação de perfuração delgada, tornar esta taxa mais ampla (p.ex., maior que 5), faz com que a largura de banda de absorção diminua. Neste caso, torna-se mais importante assegurar que o periodo de atrito estimado seja determinado de forma mais precisa (se possivel), de modo que a frequência de amortecimento máximo esteja tão próxima quanto possivel da frequência de atrito real.

[00109] A redução na magnitude do coeficiente de reflexão e no amortecimento positivo correspondente sobre toda a banda de frequência é muito importante e é alcançado somente com um controlador PI único. Isso está em contraste com outros métodos ativos que utilizam ciclos em série de realimentação em cascata com um controlador de velocidade padrão, ou que dependem de alguns parâmetros medidos, tais como torque de coluna ou "drive", para fornecer um sinal de realimentação para o PLC. Os filtros utilizados nas funções de realimentação em cascata podem ser adequados para amortecer as oscilações de atrito fundamentais, mas eles podem causar instabilidades e amortecimento negativo em frequências mais altas.

[00110] Na prática, o termo-P para o controlador de velocidade ajustado pode ser determinado conforme segue:

onde G é o módulo de cisalhamento da coluna de perfuração (cujo valor tipico é 80xl09Nirr2) , lp é o momento transversal polar de inércia da coluna de perfuração (cujo valor tipico é 12,2xl0-6m4) e c é a velocidade das ondas torsionais na coluna de perfuração (cujo valor tipico é 3192ms-1) .

[00111] Para determinar o termo-I na prática, há duas variáveis a serem avaliadas: (a) a frequência angular ωs das oscilações de atrito e (b) a inércia efetiva J do "top drive". A última é relativamente objetiva para esta determinação e pode tanto ser calculada a partir dos valores teóricos da inércia de transmissão, da taxa de transmissão e da inércia do rotor do motor quanto pode ser encontrada experimentalmente realizando um teste de aceleração quando o "top drive"30 estiver desconectado da coluna. Uma formula tipica para o cálculo da inércia do "top drive"Jd é:

onde Jgé a inércia do "top drive"com o motor desacoplado (cujo valor tipico é 100 kgm2) , ng é a taxa de transmissão (>1) nm dos motores ativos (cujo valor padrão é 1), e Jm é a inércia do rotor do motor (cujo valor tipico é 25 kgm2) .

[00112] Há vários modos pelos quais a frequência angular ωspode ser estimada, incluindo: (i) cálculos a partir da geometria da coluna, (ii) por medição manual (p.ex., utilizando um cronômetro) e (iii) por determinação automática no software PLC. Uma vantagem importante do aspecto de ajuste do PI deste Pedido de Patente de Invenção é a o de que o efeito de amortecimento das oscilações de atrito ainda é obtido, mesmo se a estimativa do periodo de atrito utilizada para ajustar o controlador PI não for muito precisa. Por exemplo, a Fig. 3 mostra um amortecimento máximo ocorrendo a uma frequência de 0,2Hz. Mesmo se a frequência de atrito real for mais baixa ou mais alta que isso, ainda haverá um bom efeito de amortecimento (r ~ 0,8) obtido entre aproximadamente 0,09Hz e 0,4Hz. Consequentemente, os métodos utilizados para estimar o periodo de atrito não precisam ser particularmente precisos.(i) Geometria da Coluna

[00113] É possivel empregar uma abordagem teórica para determinar o periodo de atrito, utilizando parâmetros da coluna de perfuração disponíveis no local no livro de registro. Um livro de registro é compilado no local para cada coluna de perfuração e compreende um registro detalhado das propriedades de cada seção da coluna de perfuração (p.ex., OD, ID, tipo de tubulação), uma seção sendo definida como uma extensão (p.ex., 300m) do mesmo tipo de tubulação de perfuração.

[00114] A seguir, assume-se que a coluna de perfuração 12 consiste de uma seção de tubulação de perfuração com extensão 1 com uma impedância de broca agrupada em sua extremidade inferior, representada por Zb. Esta impedância pode ser uma impedância de inércia reativa pura (iωJb, onde Jb é a inércia da estrutura inferior do poço) ou pode ser uma constante real, representando o amortecimento agrupado (positivo ou negativo) na broca de perfuração 28. As equações de torque na parte superior e na broca representam as duas condições de limitação. Pode ser demonstrado que estas duas condições de limitação podem ser escritas de acordo com aseguinte equação matriz:

onde k é o número de onda eperfuração.

[00115] Existemsistema de equações, caso odesapareça, isto é, quando

Zd é a impedância do mecanismo desoluções não triviais para estedeterminante da matriz do sistema

[00116] Aqui, os coeficientes de reflexão no"drive"rd e na parte inferior da coluna de perfuração rj:> foram introduzidas conforme segue:

[00117] Observe que o coeficiente de reflexão rd:-1 do "top drive" para um controlador de velocidade rigido (IZd I » ) e o coeficiente de reflexão rb da broca igualam a unidade para um extremidade inferior livre (Zb = 0).

[00118] As raizes da equação (12) podem serescritas como:

[00119] onde m é um inteiro não-negativo e «d e cgsão as justificações (ângulos de fase) dos coeficientes de reflexão complexos rd e rb, respectivamente. As frequências de ressonância angular correspondentes são:

[00120] Uma vez que, em geral,as magnitudes efases do coeficiente de reflexão são dependentes de frequência, a equação acima é transcendente, sem soluções analíticas explicitas. No entanto, isso pode ser resolvido numericamente por um PC ou outro computador.

[00121] O termo imaginário da equação supracitadarepresenta o amortecimento dos eigenmodes [modos normais de vibração do sistema de oscilação] . Se | rdrj? I <1, a parte imaginária da raiz é positiva, representando, dessa forma, um amortecimento positivo e normal e fazendo com que o fator de tempo exp(iωnt) diminua com o tempo. Em contrapartida, se I rcirb I >1, o amortecimento se torna negativo, fazendo com que uma pequena amplitude cresça exponencialmente com o tempo.

[00122] Como exemplo, considere um caso com umcontrolador de velocidade completamente rigido ( I rd I = -1 e «d = n) girando uma coluna de perfuração, compreendendo uma inércia finita da parte inferior do poço (Zb = iωJb, I rb I = 1 e og = -2tan-1(ωJb / Ç ) ) . Então, a frequência mais baixa (atrito teórico) ωsse torna:

[00123] Sem a inércia extra da estrutura inferior do poço, esta expressão se reduz a ωs= nc / (21). Observe que a frequência de ressonância diminui na medida em que a inércia Jb aumenta. Em casos extremos, quando ωsJb » a fórmula acima pode ser reescrita como

onde C = 1 / (GIp) é a conformidade estática da coluna. Esta é a fórmula conhecida para a frequência natural de inércia agrupada e sistema de molas.

[00124] Descobrimos que isso é útil para estudar a relação entre a amplitude de velocidade da extremidade inferior

θ θ torque superior correspondente

partir da equação acima, pode ser mostrado que essa taxa é

[00125] Utilizando-se do fato de que a impedância característica pode ser escrita como

a amplitude de velocidade do poço pode ser expressa por

[00126] Observe que o segundo termo desaparece se o controlador de velocidade for muito rigido (r « -1) ou quando kl « n / 2. No entanto, se um controlador de velocidade suave for utilizado e houver uma inércia alta próxima à broca, de modo que kl para a frequência de atrito seja significativamente menor que n/2, então, o segundo termo pode ser significante e não deve ser omitido.

[00127] A teoria supracitada pode ser generalizada para colunas com muitas seções e também para casos com amortecimento distribuído. Se um termo de amortecimento linear for incluido, a generalização faz com que os números de onda e as impedâncias características sejam complexos e não puramente reais. Se a coluna consiste de n seções uniformes, a solução de onda geral consiste de amplitudes de velocidade complexas 2n, representando pares de ondas de propagação para cima e para baixo. A continuidade da torção e velocidade angular através dos limites de seção pode ser expressa pelas condições de limitação interna 2 (n -1), que contribuem para as duas condições finais na equação (11). As raizes deste sistema de equações são aquelas frequências que tornam a matriz do sistema singular. Embora seja possivel encontrar uma expressão analítica para o determinante do sistema, as soluções são encontradas numericamente por um PC ou outro computador no local. A IADC/SPE 15564 fornece um exemplo de um modo de fazer isso, e seus conteúdos estão aqui incorporados por referencia para todos os fins.

[00128] A Figura 4 mostra uma tela tipica 50 disponível no console do perfurador que permite ao perfurador acionar um PC para estimar um novo periodo de atrito com base na geometria da coluna. Em particular, uma tabela 52 representa as seções da coluna de perfuração, incluindo BHA, tubulação de perfuração pesada (HWDP) e as seções de tubulação de perfuração 1 a 6. Os campos disponíveis para cada seção são: extensão, diâmetro externo e diâmetro interno. O perfurador primeiramente determina, a partir do livro de registro local, em quantas seções a coluna de perfuração está dividida. Neste exemplo, a coluna de perfuração possui oitoseções. Para cada seção, o perfurador insere valores nos três campos. Um botão 54 permite que o perfurador acione um novo periodo de atrito a ser estimado com base na geometria da coluna inserida na tabela 52. Em particular, a tabela estabelece a equação matriz de 2n x 2n, acima mencionada, e o PL (não mostrado) utiliza um método numérico para encontras as raizes da matriz que tornam a matriz singular. A menor raiz é o resultado 56 do periodo de atrito na tela 50.(ii) Estimativa Manual

[00129] Para determinar o periodo de atrito manualmente, o perfurador pode observar o torque de "drive" conforme mostrado no console do perfurador 34 e determinar o periodo medindo o periodo de variação do torque de "drive" com um cronômetro. Isso é rapidamente feito, uma vez que cada periodo tem normalmente de 2s a 10s. Um método alternativo é que o perfurador ouça a mudança de intensidade no motor do top drive e determine o tempo do periodo deste modo. Conforme acima mencionado, tais métodos devem ser suficientes uma vez que a frequência de atrito estimada não tenha de estar particularmente próxima à frequência de atrito real, a fim de que as oscilações de atrito sejam amortecidas.(iii) Estimativa Automática

[00130] Estimativa automática significa que o software PLC estima o periodo ou frequência de atrito a partir de medições feitas durante a perfuração. Em particular, o sinal de torque do top drive" é filtrado por um filtro de passagem de banda que transmite frequências na faixa de 0,1Hz a 0,5Hz (i.e. um periodo entre 2s e 10s), isto é, o filtro favorece o componente de atrito e suprime todos os outros componentes de frequência. O PLC, então, detecta o periodo entre cada novo zero até a passagem do sinal de torque filtrado e utiliza estes valores em um filtro de suavização recursivo para obter uma estimativa de periodo precisa e estável. 0 filtro de suavização final é congelado quando a gravidade do atrito (vide abaixo) cai abaixo de um valor critico baixo ou quando o método de ajuste é ativado.

[00131] Para ajudar o estimador de periodo a rapidamente encontrar o periodo preciso, o operador pode ou colocar um valor de inicio real ou pegar um valor teórico calculado a partir da coluna atual (determinado conforme a seção Geometria da Coluna acima).

[00132] Em uso, o controlador PI ajustado é ativado quando há uma movimentação de atrito significante (conforme determinado pelo perfurador ou pelo software). No entanto, a estimativa de frequência do atrito (medição de periodo) acontece antes que o controlador PI ajustado seja realmente utilizado para controlar o mecanismo de perfuração. Uma vez completo, o estimador de periodo é desligado quando o controlador PI está ligado, por que o periodo natural das oscilações de atrito pode mudar ligeiramente quando o controle de velocidade suave é utilizado.

[00133] Parece não haver a necessidade de reajuste muito frequente da frequência estimada, porque a frequência de atrito natural varia ligeiramente com a extensão da coluna de perfuração. É uma boa ideia, no entanto, atualizar automaticamente o periodo a cada conexão, isto é, quando outros 30 m de tubulações de perfuração forem adicionados à coluna de perfuração. Para tanto, é possivel utilizar analises de sensibilidade teórica para prever como o periodo de atrito aumenta com a extensão da coluna de perfuração. Uma maneira de fazer isso (mas não a única maneira) é encontrar os periodos teóricos para duas extensões de colunas (L e L+200 m, por exemplo) e, em seguida, utilizar interpolação para o aumento causado pela adição de uma seção de 30 m, a fim de atualizar o periodo estimado.Estimativa da Gravidade do Atrito e da Velocidade Instantânea da Broca

[00134] Um aspecto adicional do presente Pedido de Patente de Invenção é fornecido como um conjunto de instruções computacionais executáveis no software PLC que permite a quantificação das variações de velocidade da broca e uma estimativa da velocidade de rotação instantânea da broca. 'Velocidade da broca' significa a velocidade de rotação da BHA, excluindo a contribuição do motor de perfuração opcional. Este aspecto deste Pedido de Patente de Invenção pode ser fornecido separadamente ou em combinação com o aspecto de ajuste do controlador PI deste Pedido de Patente de Invenção.

[00135] Esta estimativa é obtida através da combinação da conformidade torsional conhecida C da coluna de perfuração e das variações do torque de "drive". Em geral, uma vez que o torque não é um sinal rigorosamente periódico, mas na maioria das vezes possui uma vasta gama de frequências, um cálculo preciso é extremamente complicado e não é, portanto, adequado para implementação em um PLC (Controlador Lógico Programável). No entanto, percebemos que uma vez que a movimentação de atrito é dominada por uma frequência de atrito fundamental, é possivel obter estimativas razoavelmente boas com base apenas nestas frequências.

[00136] A equação principal é a 17 acima, quedescreve uma boa aproximação para a amplitude de velocidadecomplexa em função do torque da coluna superior. Os doistermos nesta expressão devem ser tratados de forma diferente,porque eles representam componentes harmônicos compreendendouma diferença de fase de 90 graus. Enquanto o fator imaginárioiωTsdeve ser tratado como o derivativo de tempo do torquefiltrado por passagem de banda, o fator de termo real ωTspodeser aproximado como o produto do torque filtrado por passagemde banda e pela frequência de atrito. Uma vez que o filtro depassagem de banda suprima todas as frequências exceto afrequência de atrito, é possivel substituir a integração detempo direta pela aproximação com base na integração. Estaaproximação tem como base o fato de que iω « -ωs2/ (iω), onde1 / (iω) representa a integração de tempo. Esta aproximaçãofavorece a frequência de atrito e suprime os harmônicos maisaltos. As versões de divisão de tempo de (17), adequadas paraa implementação no PLC 38 são:

[00137] Aqui, o parâmetro de fase é kl = ωsl /c. Na última aproximação, a aproximação integral para a derivação de tempo é utilizada e o segundo termo é omitido.

[00138] Embora a fórmula acima tenha como base uma coluna de seção única, simulações demonstraram que ela também fornece boas estimativas para colunas de multisseções, se a conformidade C total da coluna for utilizada:

[00139] Uma versão do algoritmo implementado no PLC 38, para estimar tanto a velocidade instantânea da BHA quanto a gravidade do atrito, compreende as seguintes etapas: - Estimar o torque da coluna através da correção dos efeitos de inércia (subtrair a inércia efetiva do motor vezes a aceleração angular) e através da utilização da taxa de transmissão para escalá-la corretamente;- Filtrar a passagem de banda do torque estimado, com o filtro de passagem de banda centralizado na frequência de atrito estimada/observada. O filtro deve ser de 2a ordem ou superior, mas pode ser preferivelmente implementado no PLC como uma série de filtros IIR recursivos de Ia ordem;Calcular a conformidade estática total da coluna de perfuração utilizando a equação (19) acima referida;- Calcular o parâmetro de fase kl = ωsl /c, onde ωsé a frequência de atrito angular determinada;- Calcular a velocidade de perfuração dinâmica utilizando ou a versão precisa ou aproximada da equação (18) acima referida; - Calcular a "gravidade de atrito" o, que é a amplitude de atrito normalizada, determinada como a taxa de amplitude da velocidade de perfuração dinâmica sobre a velocidade rotacional média do "top drive";- Encontrar a velocidade instantânea como a soma da velocidade do "top drive" filtrada por passagem baixa e a velocidade de perfuração dinâmica estimada. Reduzir a zero se a velocidade estimada se tornar negativa;Esquematizar os dados resultantes em um gráfico (p.ex., RPM versus tempo) mostrados em uma tela de um console do perfurador, por exemplo; - Repetir as etapas 1 a 8 para fornecer uma estimativa de tempo real substancial da velocidade da broca.

[00140] Prevê-se que este método pode ser realizado apenas onde a estimativa de velocidade da BHA é resultante ou apenas onde a gravidade de atrito é resultante.

[00141] Com relação à etapa 6, uma forma possivel de estimar a gravidade de atrito é utilizar a seguinte fórmula, onde LP() denota a filtragem de passagem baixa:

set

[00142] Como o método acima referido leva em consideração o coeficiente de reflexão, ele se aplica para ambos os controles de velocidade, padrão e ajustado. Durante os transientes de aceleração, quando a velocidade do "top drive" é significativamente alterada, o estimador não é confiável, uma vez que pode produzir grandes erros. Não obstante, acreditamos que esta é uma ferramenta útil para avaliar as condições de perfuração, quer automaticamente no software, quer através do mostrador para análise por um perfurador.

[00143] A taxa de amplitude da velocidade dinâmica em relação à velocidade média do "top drive" é uma medição direta e quantitativa da movimentação de atrito, mais adequada que o torque dinâmico ou a amplitude de torque relativa. Mesmo que a velocidade estimada da broca não seja altamente precisa, ela fornece uma entrada valiosa para que o perfurador monitore isso em um gráfico de tendências que dará ao operador informações mais explicitas sobre o que está acontecendo com a broca.Interface do Usuário

[00144] Uma interface de usuário é fornecida para um console do perfurador 34 que compreende uma interface gráfica (vide Figs. 4A' e 4A" e 4B' e 4B") que provê o operador com informações diretas sobre o status do atrito. O atrito é indicado por três diferentes indicadores:- Um indicador de "luz de tráfego" 58 na Fig 4A' com 3 niveis de atrito: uma luz verde para pequenas amplitudes (0-30%), uma luz de advertência amarela, se as oscilações de velocidade forem significantes (30-70%) e, finalmente, uma luz vermelha, se amplitudes ainda maiores forem estimadas. Este valor de porcentagem tem por base a gravidade do atrito, conforme anteriormente determinado.- A gravidade do atrito é esquematizada em um gráfico 62 de torque versus tempo na Figura 4B para observar como o atrito se desenvolveu em um periodo de tempo especificado.- A velocidade instantânea da broca, estimada em um gráfico 64 de velocidade instantânea da broca versus tempo na Fig. 4B, fornece uma impressão direta e visual do status de atrito da perfuração.

[00145] Conforme mencionado acima, a tela 50 requer que o operador insira uma descrição aproximada da coluna, em termos de um registro simplificado.

[00146] Este registro aceita até 8 seções diferentes, onde a extensão, o diâmetro interno e a massa por unidade de extensão são especificadas. Estas informações são utilizadas para calcular tanto a frequência teórica estimada para o modo mais baixo como a conformidade estática da coluna de perfuração nesta frequência.

[00147] O operador pode deixar o controlador PI ajustado ligado ou desligado. No modo desligado, o controlador de velocidade do "drive"padrão é utilizado. Quando o ajuste está ativado, este controlador de velocidade é extrapolado pelo controlador PI ajustado 42, que é implementado no PLC 38. Se o controlador do "drive"no "top drive"30 é um modelo digital moderno, também é possível alterar o próprio controlador de velocidade do "drive", ao invés de extrapolá- lo. No entanto, se o método de extrapolação for escolhido, isso é obtido enviando um comando de alta velocidade do PLC 38 para o controlador de velocidade no "top drive"30 e controlando dinamicamente o limite de torque de saida. Em perfurações normais, este limite de torque é utilizado como um limite de segurança para prevenir danos à coluna, se a coluna subitamente travar. No modo de controle ajustado, quando o PLC 38 controla dinamicamente o limite de torque, este limite é substituído por um limite de software correspondente no PLC 38.

[00148] O operador também pode alterar o fator de prevenção ou mobilidade a dentro de limites preestabelecidos através de botões 60, tipicamente entre 0,05 e 0,33. Um fator alto implica um controle de velocidade mais suave e menor probabilidade de a movimentação de atrito começar ou persistir. A desvantagem de um fator alto é uma flutuação maior da velocidade do "top drive"em resposta às alterações inofensivas no nivel de torque da coluna. Pode ser necessário escolher um fator alto para reparar oscilações de atrito graves, mas o operador pode reduzir o fator quando a perfuração suave for restaurada.

[00149] Prevê-se que a decisão de ativar e desativar o controlador de velocidade ajustado pode ser tomada pelo PLC 38 ou por outro controlador eletrônico. Tal controlador pode monitorar a estimativa instantânea da velocidade da broca, conforme estabelecido acima. Quando um padrão de periodo de atrito for observado, o controlador pode ativar o ajuste. Além disso, o controlador pode aumentar gradualmente o fator de mobilidade ou prevenção para aumentar a suavidade do "top drive" 30, se as oscilações de atrito não forem reduzidas em magnitude dentro de um periodo predeterminado, p.ex., 2 minutos. Uma vez que as oscilações de atrito tenham sido reduzidas ou tenham substancialmente desaparecido, o controlador pode reduzir gradualmente o fator de mobilidade ou prevenção (p.ex., reduzir para a = 0,1) para melhorar a eficiência da perfuração.Teste HIL (Hardware-in-the-Loop)

[00150] Recentemente, o método de ajuste PI foi testado extensivamente nas assim chamadas simulações de Hardware In the Loop (HIL). Nestes testes, os programas PLC são executados em um PLC fisico conectado por meio de interface ao modelo de simulação de tempo real de um "drive" e de uma coluna de perfuração.

[00151] O modelo de simulação a ser utilizado para o teste HIL do método de ajuste possui as seguintes características :- O "drive" é modelado como um controlador de velocidade PI padrão, com torque e limitações de potência e anti- finalização. O torque ou controlador atual é perfeito no sentido de que o torque atual é considerado para ser compatível com o torque estabelecido sem nenhum atraso.- O modelo pode lidar com uma pluralidade de motores de "drive" conectados ao eixo de saida por uma engrenagem.A coluna de perfuração é modelada como uma série de elementos de molas e inércia agrupadas, provenientes de qualquer livro de registro. A extensão de grade utilizada na maioria dos exemplos abaixo é de aproximadamente 28 m, que é a extensão tipica de uma plataforma tripla. Assim, os 3200m de extensão da coluna utilizados abaixo consistem de 114 elementos.- O torque de fricção estática é calculado para cada elemento com base na força de contato teórica, sendo uma função de peso e inclinação, curvatura e tensão. O efeito de WOB e do torque da broca também são incluídos.- O torque de fricção dinâmico dependente de velocidade é modelado como uma soma de três termos. O primeiro termo é uma variante de sinal suave da fricção da Coluna, o segundo representa uma fricção estática extra de inicio e o terceiro é um termo de amortecimento linear independente da força de contato. Para simular a instabilidade com a amplitude de oscilação crescente da perfuração suave, este coeficiente de amortecimento deve ser negativo.

[00152] O modelo foi primeiramente desenvolvido como um modelo Simulink no ambiente Matlab. Ele foi posteriormente implementado com a caixa de ferramentas Simulation Module [Módulo de Simulação] no ambiente National Instrument Lab View e executado em uma poderosa plataforma de PC. Embora este PC não se utilize de um sistema operacional em tempo real (TR), sua alta potência torna o modelo TR válido para todos os fins práticos.

[00153] O programa de simulação Lab View é conectado ao PLC, ao assim chamado cartão SimbaPro PCI profibus DP (DP = Distributed Peripherals/PeriféricosDistribuídos), que pode simular todos os nós dos DP's conectados ao PLC. 0 tempo de atualização é estabelecido em lOms (100Hz), que está dentro do ciclo de tempo do PLC (tipicamente de 20ms).

[00154] Os resultados do teste HIL são mostrados na Figura 5. A coluna utilizada é uma coluna de 3200m de extensão, similar à coluna utilizada no campo de teste (vide abaixo). O período teórico para o modo mais baixo é de 5,2s. A Fig. 5 mostra um gráfico 70 de torque e velocidade para a coluna de perfuração (linha 72) e para o "top drive" (linha 74) durante um período de 150s, incluindo um intervalo de 5s onde a velocidade do "top drive" é acelerada a partir de zero até 100 rpm. O controle de velocidade ajustado é ativado em 30s após o início da rotação. As oscilações de atrito constantes são estabilizadas rapidamente após o início. O período de atrito se estabiliza em torno de 5,3s. Isso é ligeiramente maior que o período do pêndulo teórico, mas o período estendido é consistente com o fato de que o intervalo de adesão é substancial. Observe que a velocidade do "top drive" é quase constante durante esta parte do controle de velocidade.

[00155] Quando o controle de velocidade ajustado é ativado, a velocidade do "top drive" (linha 78) mostra temporariamente uma variação dinâmica pronunciada 79 em resposta às variações de torque amplas. Mas depois de alguns períodos, o movimento de atrito desaparece e a velocidade do "top drive", bem como a velocidade da broca, se torna suave. Quando o controle de velocidade ajustado é desativado novamente, a amplitude da velocidade de perfuração (linha 76) começa a crescer, até que o movimento de atrito total sejadesenvolvido. Esta instabilidade é uma consequência do amortecimento negativo incluido no modelo de torque da coluna.

[00156] A Figura 6 mostra os resultados 80 destas mesmas simulações, mas agora com foco na gravidade do atrito estimada pelo PLC (linha 87) e na velocidade instantânea da broca (linha 84) — observe que o gráfico inferior é uma continuação do gráfico superior e mostra a diferença entre a velocidade simulada (linha 84) e a velocidade estimada (linha 86). A velocidade estimada da broca é razoavelmente boa durante as condições constantes, mas possui um erro significante durante o inicio. Apesar disso, a velocidade estimada da broca é capaz de prover o perfurador com um número útil de variações de velocidade de perfuração. A eficácia do controlador de velocidade ajustado é claramente ilustrada pela linha 87 da gravidade do atrito: quando o controlador de velocidade ajustado está em uso, a gravidade do atrito cai para quase zero. Uma vez que o controlador ajustado é desligado, a gravidade do atrito novamente volta a aumentar. Teste de Campo

[00157] O ajuste foi testado em campo, durante a perfuração de um longo poço não padronizado. A coluna possuia aproximadamente 3200 m de extensão, com uma tubulação de perfuração de 5,5 polegadas. Infelizmente, o teste terminou após um periodo relativamente curto de condições de atrito graves, quando a broca PDC perfurou uma formação mais suave. A nova formação tornou a broca menos agressiva com menor amortecimento negativo, removendo, assim, a fonte principal de oscilações de atrito.

[00158] A Figura 7 mostra um exemplo onde o movimento de atrito é desenvolvido durante a rotação com umcontrolador de velocidade rígida padrão. Dois gráficos 90 são mostrados: um do torque de "drive" versus tempo e outro de velocidade da broca versus tempo. Alguns comentários sobre estes gráficos são dados abaixo:- Os dados foram registrados a partir do PLC a uma taxa de amostragem de aproximadamente 9 Hz.- O torque "TD corrigido" (linha 92) é o torque estimado da coluna e se iguala ao torque medido do "drive", corrigido para efeitos de inércia.- O torque TD corrigido, bem como a velocidade da broca, é estimado pelo pós-processamento dos dados registrados, utilizando os métodos descritos acima.- O controlador de velocidade padrão do "top drive"é muito rígido, por que as variações da velocidade medida (linha 94) mal podem ser vistas após o desligamento do controle de velocidade ajustado e o rpm do "top drive"é virtualmente constante. As pequenas acelerações correspondentes são a razão por que o torque de "drive"medido quase coincide com o torque da coluna corrigido pela inércia durante este período.- As oscilações de torque de alta frequência (a 1.1 Hz), vistas durante a primeira parte da linha 96 quando o ajuste está acionado, provavelmente se originam a partir de uma ressonância no modo de nível mais alto da coluna de perfuração. Estas vibrações parecem ser independentes do tipo de controlador de velocidade utilizado, mas elas desaparecem quando o atrito é desenvolvido.- O fator de prevenção (linha 98) é o fator a de mobilidade estabelecido pelo operador, conforme mencionado acima. - 0 período de atrito observado é de aproximadamente 5,2s, que está em boa conformidade com o período teórico para esta coluna particular.- Outro exemplo de sucesso no reparo do movimento de atrito e mostrado na Figura 8. Nesta figura, um gráfico similar 100 ao gráfico 90 é mostrado:- A velocidade "TD estabelecida" (linha 102) é a velocidade de comando enviada ao "drive". Quando o ajuste está acionado, este nível é elevado de modo que o controlador de velocidade extrapolada do "drive"sempre tenta aumentar o torque além do limite dinâmico do novo controlador de velocidade. Neste caso, o aumento da velocidade é um pouco menor, fazendo com que a velocidade dinâmica seja diminuída pelo controlador de velocidade do "drive". Esta diminuição vai reduzir o efeito de amortecimento sob o controlador PI ajustado.- Quando o ajuste está acionado, o fator de mobilidade (linha 104) é de aproximadamente 15%. Isso é um pouco baixo demais, porque as oscilações de atrito não são reparadas antes que o operador aumente este fator para 106.- Após o movimento de atrito ter desaparecido a cerca de 4310s, as oscilações de 1,1 Hz reaparecem com uma amplitude similar àquelas observadas anteriormente. Mas agora, as vibrações são vistas também na velocidade medida.Dados adicionais, não incluídos aqui, mostram que a amplitude das oscilações de 1,1 Hz diminui, mas não desaparece completamente quando o fator de mobilidade é aumentado ainda mais. Isso significa que, mesmo que a impedância do "top drive"seja a inércia dominada nesta frequência, o controlador PI suave também possui algum efeito de amortecimento nas oscilações do modo de nível mais alto. Modos de Atrito em Níveis Mais Altos

[00159] O método de amortecimento de atrito descrito acima funciona muito bem em uma ampla gama de casos. No entanto, extensivos test es de simulação de Hardware-In- the-Loop (HIL) revelaram um problema adicional quando a coluna é extremamente longa (tipicamente 5000 m ou mais) e o período de atrito fundamental medido excede cerca de 5-8s, isto é, uma frequência ωsde cerca de 0,2 - 0,13Hz. O método ainda é capaz de amortecer as oscilações de atrito do modo fundamental, mas logo que estas oscilações são amortecidas, o segundo modo natural tende a se tornar instável e crescer até que o atrito total seja desenvolvido no segundo modo. Este segundo modo possui uma frequência natural que é aproximadamente três vezes mais alta que a frequência de atrito fundamental ωs. As oscilações de atrito de ordem mais alta são vistas como variações cíclicas de curto período (menor que cerca de 1/3 do período de atrito fundamental) e grande amplitude (maior que cerca de 2kNm) do torque de "drive". Também descobrimos através das simulações que, durante as oscilações de atrito de segundo modo, a velocidade de rotação da broca varia entre zero e as velocidades de pico, excedendo duas vezes a velocidade média.

[00160] Simulações demonstraram que o sistema vendido sob a marca registrada SOFT TORQUE® também sofre do mesmo problema. Nenhum sistema é capaz de amortecer ao mesmo tempo ambas as oscilações de atrito, do primeiro e segundo modo.

[00161] Descobrimos que através da redução da inércia efetiva de um mecanismo de perfuração, esse problema pode ser resolvido. Há muitas formas pelas quais a inércia efetiva pode ser reduzida, incluindo fazer uma alteração relativamente pequena no controlador PI ajustado descrito acima e selecionar uma transmissão mais alta do mecanismo deperfuração. Vantagens na redução da inércia efetiva incluem: amortecimento mais efetivo dos modos em niveis mais altos e tolerância aumentada no método com relação a erros na frequência de atrito estimada. Identificamos duas formas para reduzir a inércia efetiva de um mecanismo de perfuração: pelo ajuste do controlador de velocidade e pela alteração da transmissão (se possivel). Cada uma delas será descrita abaixo.Ajuste do Controlador de Velocidade para Amortecimento dos Modos em Niveis Mais Altos

[00162] A titulo de esclarecimento, a primeira aplicação do controlador de velocidade 42 descrita acima será referida como 'controlador PI ajustado' e a segunda aplicação do controlador de velocidade 42 descrita abaixo será referida como 'controlador Pi compensado por inércia'.

[00163] Antes de descrever o método, primeiramente vamos estabelecer uma descrição básica dos modos em niveis mais altos das oscilações da coluna torsional. Conforme descrito acima, (vide equações (14) e (15)) a frequência angular natural para o modo m de uma coluna sem perdas, girada por um "top drive" com mobilidade zero, é dada por:

Onde:é um inteiro positivo indicando o número de modo (m = 1para o modo de nível mais baixo);Jb é a inércia da estrutura inferior do poço (BHA);C é a impedância característica das tubulações de Perfuração;c é a velocidade sônica para ondas torsionais; e1 é a extensão da seção de tubulação de perfuração(excluindo a extensão da BHA).E conveniente introduzir a frequência normalizada

e a inércia normalizada

[00164] Aquiutilizamos o fato de que aimpedância característica pode ser expressa como Ç = J dPc / 1, onde JdP representa a inércia total das tubulações de perfuração. A equação de frequência (21) pode, agora, ser escrita como:

[00165] Para valores de inércia não-nula, estaequação é transcendental, o que significa que não há soluções analíticas explicitas e que ela deve ser resolvida numericamente, conforme descrito acima. Com relação à Fig. 9, um gráfico 110 mostra as três raízes de nível mais baixo (m = 1, 112; m = 2, 114; m = 3, 116) versus a inércia normalizada Jb. As curvas da taxa de frequência 118, 119 mostram que a taxa é quase constante e aproximadamente igual a 2m -1 para baixa inércia da BHA (jp < 1) . Na prática, colunas deperfuração muito longas (> 5 km) utilizadas para alcance horizontal estendido, possuem BHA's bastante pequenas e leves (sem anéis de perfuração ou tubulações de perfuração pesada) para limitar o torque total de fricção. Portanto, as baixas taxas de inércia 3 e 5 para o segundo e terceiro modos, respectivamente, possuem muito boa aproximação com a realidade.

[00166] Os formatos de modo correspondentes para a velocidade de rotação dinâmica podem ser encontrados a partir dos números de onda km, que podem ser escritos como:

[00167] As eigenfunctions [funções características ou próprias] correspondentes, que descrevem como a amplitude da velocidade angular varia com a profundidade, são

onde z é a profundidade referida com relação à posição do "top drive".

[00168] Com relação à Fig. 10, um gráfico 120 mostra os formatos de modo m ± 0,25om para os três modos mais baixos, para o caso de jb = 1. O eixo Y representa a profundidade normalizada zn = -z / 1. É evidente que a broca (extremidade inferior da coluna, onde z = -1) fica próxima a um anti-nó em todos os três modos.

[00169] Descobrimos que o controlador de velocidade 42 pode ser melhorado para reagir ao atrito da broca de perfuração em ambos os modos, primeiro e segundo, e, até certo ponto, nos modos de niveis mais altos de oscilaçãode atrito. A base para esta melhoria é encontrada na equação do movimento angular do mecanismo de perfuração 30. Com relação à equação (3) acima, a equação de movimento para o mecanismo de perfuração 30 pode ser expressa por:

onde o torque Td do mecanismo de perfuração é dado por:

e onde:Jd é a inércia mecânica total do "drive"(incluindo osmotores de "drive"e transmissão);Jc é a inércia de compensação controlável manualmente oupor computador;P é o fator-P do controlador de velocidade (com relação ao eixo de saida)I é o fator-I do controlador de velocidadeΩset é a velocidade angular configurada;Ω é a velocidade real do "top drive", conforme medida.

[00170] Deste modo, o controlador de velocidadeutiliza três termos para controlar o troque Td aplicado pelo mecanismo de perfuração 30 na coluna de perfuração. Os dois termos secundários no lado direito são conhecidos a partir da equação 2 acima.

[00171] O primeiro termo no lado direito da equação 28 é o componente principal para estender a funcionalidade do controlador PI ajustado da primeira aplicação. Em contraste com um termo derivativo normal de um controlador PID, que é proporcional ao derivativo do erro de velocidade, o novo termo do controlador de velocidade é proporcional apenas ao derivativo da velocidade medida. 0 fator de proporcionalidade Jc é chamado de inércia de compensação, porque possui dimensões de inércia e isso reduz a inércia efetiva do mecanismo de perfuração 30. Isso é observado através da combinação das equações 2 e 28 e através da movimentação deste termo derivativo sobre o lado esquerdo:

[00172] Esta é a equação de movimento para um mecanismo de perfuração 30 com uma inércia reduzida utilizando um controlador de velocidade PI ajustado ou convencional. A vantagem desta redução de inércia é que a largura da banda de absorção do mecanismo de perfuração 30 é aumentada, conforme explicado abaixo. Além disso, uma vez que o Jc é controlável por software, a compensação de inércia pode ser ativada e desativada rapidamente no controlador de velocidade e, quando ativada, pode ser ajustada mesmo em tempo real, se necessário. Alternativamente, é possivel permitir que o perfurador configure o Jc manualmente através do console do perfurador, por exemplo.

[00173] Seguindo a mesma metodologia que a descrita acima, em conjunto com a equação (6) acima, a impedância torsional efetiva pode ser escrita como a função complexa:

[00174] onde

e a unidade imaginaria e ω é a frequência angular. O coeficiente de reflexão correspondente rci para o mecanismo de perfuração 30 é

onde j é a assim chamada impedância caracteristica da tubulação de perfuração e representa a taxa de torque e a velocidade angular para uma onda progressiva que se propaga ao longo da coluna de perfuração 12.

[00175] Este coeficiente de reflexão complexo representa tanto a amplitude quanto a fase da onda refletida quando uma unidade incidente de onda de torção, que se propaga para cima na coluna de perfuração 12, é refletida na parte superior. A magnitude deste coeficiente de reflexão é fortemente relacionada com as oscilações torsionais, conforme descrito acima em conjunto com o ajuste do controlador de velocidade 42, para amortecer a oscilação de atrito fundamental.

[00176] É conveniente definir a inércia efetiva como J = Jd - Jc e a reatância não dimensional como b = (ωJ - I /ω) / P. O parâmetro de mobilidade a = Ç / P é conformedefinido acima, em conjunto com a primeira aplicação. Oamortecimento, que é a quantidade de energia torsional absorvida pelo mecanismo de perfuração 30, (i.e., a energia torsional não refletida para baixo na coluna de perfuração 12), pode, então, ser escrita como

[00177] Quando b = 0, isto é, quando

, então, o amortecimento está em seu máximo e é igual a 1 - I rd I = 2a / (1 + a) . Pode ser mostrado que o amortecimento se iguala à metade deste valor quando b2= (1 + a)2(2 - a) / (2 + a) e quando a frequência angular é

[00178] A taxa de frequênciaω / ωn para a raizmais alta (sinal +) fornece uma medida quantitativa para a largura da banda de absorção β do mecanismo de perfuração 30:

[00179] Esta fórmula mostra que a largura da bandade absorção β é aumentada quando a inércia efetiva J é reduzida. Consequentemente, de acordo com a equação (9) acima, o termo I do controlador PI compensado por inércia é configurado como I = ωs2J, onde J = Jd - Jc, isto é, é configurado como um valor compensado por inércia. Quando o termo-I do controlador de velocidade 42 é configurado desta forma, isso faz com que o mecanismo de perfuração 30 apresente um aumento da largura da banda de absorção nas vibrações torsionais comparado ao controlador PI ajustado, uma vez que o último é ajustado essencialmente para amortecer o modo de atrito fundamental.

[00180] É facilmente verificado que a taxa entreas raizes mais altas e mais baixas da equaçao de frequência (33) se iguala a β 2, significando que a curva de reflexão é simétrica em torno da frequência central, quando traçada com um eixo de frequência logarítmica.

[00181] Com relação à Figura 11, um gráfico 130 ilustra o aumento da largura da banda de absorção e mostra o coeficiente de reflexão versus frequência para um controlador de velocidade rigido padrão 132, um controlador PI ajustado 134 e um controlador PI compensado por inércia 136. O exemplo pressupõe uma tubulação de perfuração de 5" (tendo uma impedância característica de tubulação de perfuração de = 340 Nms), um "top drive" mecânico total de inércia Jd = 2000kgm- (i.e. a soma da inércia mecânica devido ao motor e a transmissão) uma compensação de inércia de 50% (Jc = J = 0,5Jd), um parâmetro de mobilidade de a = 0,25 e uma frequência de atrito fundamental (m = 1) medida ou observada de 0,1 Hz (periodo = 10s). Através da redução da inércia efetiva do mecanismo de perfuração 30, a largura da banda de absorção é aumentada de β = 1,76 (controlador PI ajustado) para β = 2,75 (controlador PI compensado por inércia). As setas na Fig. 11 são posicionadas nas frequências naturais dos modos respectivos. Vê-se claramente que o coeficiente de reflexão para o segundo modo (m = 2) cai de 0,93 a 0,82 quando alternado do controlador PI ajustado para o controlador PI compensado por inércia. Esta queda representa uma grande melhoria no amortecimento, suficiente para inibir, e, em determinadas aplicações, evitar as oscilações de atrito do segundo modo.

[00182] Também é possível, opcionalmente, melhorar ainda mais o amortecimento dos modos em niveis mais altos (i.e., m > 2) desviando o minimo da curva do coeficiente de reflexão para frequências mais altas. Isso é um tipo de desajuste controlado no qual a frequência de amortecimento máxima é deliberadamente afastada da frequência fundamental das oscilações de atrito, conforme medida ou observada (vide seção acima, sobre medição de ωs) . Uma vez que a frequência fundamental foi medida ou observada, o valor pode ser aumentado entre cerca de 0% e 40%. Esta frequência fundamental desviada é, então, utilizada para determinar o termo-I do controlador de velocidade, conforme descrito acima. O efeito disso é que a curva do coeficiente de reflexão é desviada para frequências mais altas, reduzindo, assim, os coeficientes de reflexão de, pelo menos, alguns dos modos em niveis mais altos das oscilações de frequência. Uma forma alternativa para determinar o aumento no ωsé através de certa potência de β entre zero e um, β 1/4, por exemplo. Uma vantagem particular disso é que o amortecimento do modo fundamental permanece próximo ao seu valor original, por exemplo, uma mudança no coeficiente de reflexão de 0,6 a 0,62.

[00183] No entanto, cuidados devem ser tomados para garantir que o minimo da curva do coeficiente de reflexão não seja desviado para muito longe do modo fundamental das oscilações de atrito. Sugerimos que a frequência de atrito fundamental utilizada para determinar o termo-I não seja aumentada em mais do que um fator β 1/2 acima da frequência real medida ou observada. Desta forma, o amortecimento de, pelo menos, alguns dos modos em niveis mais altos (p.ex., m =2,3) é aumentado, enquanto apenas uma pequena quantidade do amortecimento do modo de atrito fundamental é sacrificada.

[00184] Uma vantagem adicional em desviar o ponto minimo de reflexão (i.e. amortecimento máximo) para frequências mais altas é que o amortecimento de frequências abaixo da frequência fundamental é aumentado. Isso significa que as variações no torque da broca causam variações menores na velocidade angular na parte superior da coluna de perfuração 12, fazendo com que o mecanismo de perfuração se mostre "mais rigido" nestas frequências baixas, o que é importante para a eficiência da perfuração.

[00185] Com relação à Fig. 12, um gráfico 140 ilustra um exemplo de tal desajuste controlado. A curva de reflexão 142 de um controlador de velocidade compensado por inércia foi desajustado, de modo que a frequência de amortecimento máxima é cerca de 22% mais alta que a frequência de atrito fundamental (mostrada pela curva de reflexão 144 de um controlador de velocidade ajustado essencialmente para amortecer a frequência fundamental). Na curva de reflexão 142, o coeficiente de reflexão na frequência fundamental foi ligeiramente aumentado, de 0,6 para 0,62, enquanto o coeficiente de reflexão do segundo modo foi significativamente aumentado, de 0,82 para 0,75.

[00186] De forma surpreendente, descobrimos que utilizar apenas o desajuste, i.e., desviando a frequência de amortecimento fundamental, mas mantendo constante a compensação de inércia, leva a uma largura da banda de absorção mais estreita, com um desvio muito pequeno da parte de frequência alta. A fim de superar isso, descobrimos que, ao combinar o desvio de frequência com uma compensação de inércia extra, ambas obtidas ao mesmo tempo: a frequência foi desviada, enquanto a largura da banda de absorção mais ampla foi preservada, de modo que o amortecimento do modo em um nivel ou em niveis mais altos foi melhorado. Uma forma de fazer isso é manter o produto ωoJ constante. No exemplo mostrado na Fig. 12, a inércia efetiva é dividida pelo mesmo fator, β 1/4 = 1,22, através do qual a frequência central é aumentada. Esta escolha deixa o produto ωoJ e o parâmetro da largura da banda β inalterado. 0 tipo de desvio de frequência implica que a compensação de inércia é aumentada, neste caso particular, de Jc = 0,5Jd para Jc = 0,59Jd.

[00187] A análise acima se baseia na suposição de que não há tempo de retardo ou filtragem na velocidade medida Ω. Na prática, uma medição de velocidade será associada com um pequeno tempo de retardo. Além disso, a aceleração de "drive"necessária para a compensação de inércia pode ter muita transmissão de ruido, a menos que um filtro derivado seja combinado com um filtro. Com relação à Fig. 13, um gráfico 150 mostra o efeito de um tempo de retardo de 20ms da velocidade medida Ω e uma filtragem de passagem baixa (tempo constante de 50ms), utilizados para produzir um sinal de aceleração mais suave. A partir desta figura, vê-se que o tempo de retardo e a filtragem afetam o coeficiente de reflexão do controlador compensado por inércia, de modo que ele excede a integridade para frequências altas (>0,75 Hz). Isso significa que as frequências possuem um amortecimento negativo e crescerão em amplitude a menos que o amortecimento natural ao longo da coluna exceda a contribuição negativa do mecanismo de perfuração 30. Em contraste, o efeito de tempo de retardo sobre os coeficientes de reflexão para os controladores normais ou ajustados é muito pequeno. Assim, embora a inércia de compensação Jc seja ajustável (p.ex. largura da banda de absorção aumentada por Jcmais alto e vice- versa) , deve-se tomar cuidado ao aumentá-la. Em particular, na medida em que a largura da banda de absorção aumenta, uma faixa mais ampla de frequências está sujeita a amortecimento negativo.

[00188] Para implementar o novo termo de torque a partir da equação (28), o controlador PI precisa de uma aceleração angular como um sinal de entrada. A aceleração de "drive"angular normalmente não é medida separadamente, mas derivada do sinal de velocidade, utilizando a seguinte aproximação de diferença

[00189] Aqui, ΔΩ é a alteração da velocidade medida durante o tempo de ciclo computacional. Esta aproximação introduz um tempo de retardo (igual à metade do tempo de ciclo) , além de um possivel tempo de retardo na própria velocidade medida.

[00190] Opcionalmente, o controlador de velocidade 42 pode ser configurado para verificar o periodo de atrito fundamental aproximado conforme determinado ou medido, com relação a um periodo limite, tal como 5s. Se o periodo fundamental for maior que este limite, o controlador de velocidade pode reduzir a inércia efetiva do mecanismo de perfuração 30 para amortecer quaisquer oscilações de modos em niveis mais altos. Além disso, a quantidade de amortecimento pode ser proporcional ao periodo fundamental, por exemplo, começando em 0% para um periodo fundamental de 5s e aumentando linearmente para uma compensação de inércia de 75% para um periodo fundamental de 8s. Outros ajustes (p.ex., não-linear) da inércia efetiva com periodo medido são previstos.

[00191] Com relação à Figura 14, um gráfico 160 ilustra como o controlador de velocidade compensado por inércia 42 é capaz de inibir as oscilações de atrito do segundo modo, o subgráfico superior 162 mostra a velocidade do "top drive"163 e a velocidade da broca 164 quando um controlador Pi ajustado é ativado 50s após o inicio da rotação da coluna de perfuração. As oscilações de atrito na frequência fundamental são reparadas, mas após um periodo transiente curto 165 as oscilações de atrito do segundo modo 166 aparecem. Observe que a frequência do segundo modo é quase 0,3 Hz, ou três vezes mais alta que a frequência do modo fundamental.

[00192] O subgráfico inferior 167 mostra os resultados de uma simulação semelhante, quando um controlador PI compensado por inércia é ativado 50s após o inicio. O controlador de velocidade melhorado utilizou um fator de compensação de 0,5, isto é, Jc= 0,5Jd, mas nenhum desvio de frequência (ou "desajuste") foi aplicado. Este controlador de velocidade é capaz de impedir oscilações de atrito em ambos os modos, secundário e fundamental, resultando em uma perfuração suave apenas com pequenas variações do torque de "drive" e da velocidade da broca.Alteração de Transmissão para Amortecimento dos Modos em Niveis Mais Altos

[00193] Se o mecanismo de perfuração 30 possuir uma caixa de transmissão de velocidade múltipla, a seleção de transmissão também pode afetar a largura da banda de absorção e o amortecimento dos modos em niveis mais altos de forma semelhante ao do método de ajuste acima referido. Isso é deduzido a partir da discussão acima e da expressão da inércia mecânica total do mecanismo de perfuração

Onde:Jg é a inércia de transmissão (com relação ao eixo de saida);Jm é a inércia do motor (rotor); nm é o número de motores; e ng é a taxa de transmissão (velocidade do motor / velocidade de saida).

[00194] A alteração da transmissão baixa para a transmissão alta implica na queda da taxa de transmissão n, tipicamente por um fator de dois. Como exemplo, considere um "top drive" de motor único (nm = 1) com uma inércia do rotor do motor de Jm = 25kgm2, uma inércia de transmissão de Jg = 200kgm2 e com duas taxas de transmissão de ngi = 8,49 e ng2 = 4,25. Os valores correspondentes de inércia do "drive" se tornam, então, aproximadamente Jdi = 2000kgm2 e Jd2 = 650kgm2 em transmissões altas e baixas, respectivamente. A redução na inércia mecânica representa um aumento pronunciado da largura da banda de absorção, conforme visto na Figura 17, na prática, de β = 1,76 (transmissão baixa) para β = 3,95 (transmissão alta) . Na Fig. 17, a linha 172 mostra o coeficiente de reflexão versus frequência para um controlador rigido não ajustado em transmissão alta, a linha 174 mostra o coeficiente de reflexão versus frequência para um controlador PI ajustado de acordo com a primeira aplicação em transmissão baixa e a linha 176 mostra o coeficiente de reflexão versus frequência para o mesmo controlador PI ajustado em transmissão alta. O aumento na largura da banda de absorção em uma transmissão mais alta pode ser claramente visto.

[00195] Na prática, a possibilidade de selecionar uma transmissão alta (i.e., com inércia baixa) é limitada, seja por que muitos "top drives" não possuem caixas de transmissão de velocidade múltipla ou por que a capacidade de torque em transmissão alta pode ser muito baixa para superar o alto torque de fricção em poços não padronizados e extremamente longos.

[00196] Uso de Controlador de Velocidade do Tipo PID para Amortecimento dos Modos em Niveis Mais Altos

[00197] Uma alternativa é que a compensação de inércia pode ser implementada através de um controlador de velocidade digital do tipo PID, do tipo encontrado nos "drives"industriais AC (p.ex., o ACS800 fabricado pela ABB). Tipicamente, tais "drives"possuem uma interface que permite o controle manual dos termos P, I e D do controlador de velocidade. Os termos são configurados de acordo com a equação (28) e, em particular, os termos Pel podem ser configurados conforme descrito acima. No entanto, o termo D é mais complicado de ser implementado já que ele é proporcional ao derivativo da velocidade do "drive", em vez de ao derivativo do erro de velocidade do "drive", como no controle PID normal. Portanto, acredita-se que não é possivel implementar o novotermo

através do termo-D padrão, porque este último termo terá um efeito indesejado na configuração de velocidade. Em particular, o termo D precisará ser configurado como um valor negativo, a fim de reduzir a inércia efetiva. No entanto, um controlador PID digital padrão pode ser adaptado através do ajuste do firmware do controlador de velocidade via código fonte de nivel baixo do "drive" ou, se este for inacessível ao usuário, através de solicitação junto ao fabricante do "drive"para que este termo seja implementado no firmware.

[00198] Deve-se observar que os três termos, em um controlador PID padrão, nem sempre são especificados diretamente. Ao invés disso, eles são comumente especificados indiretamente, através do assim chamado fator-k, que é um fator-P normalizado, uma constante de integração de tempo ti e uma constante de tempo derivativo td. O fator-P (relacionado ao eixo do motor, possui as dimensões de Nms e se relaciona com fator-k por

onde Tnom (em Nm) é o torque nominal do motor e NnOm (em rpm) é a velocidade nominal do motor (geralmente encontrada no chassi do motor). A constante de tempo de integração é a taxa de ti = P/I, enquanto a constante de tempo derivativo é td = D/P.

[00199] Em resumo, é descrito um método de ajuste do controlador PI ou PID para inibir oscilações de atrito prejudiciais. Em uma primeira aplicação, é fornecido um controlador de velocidade que permite ao mecanismo de perfuração absorver energia das oscilações de atrito em uma largura da banda de absorção que inclui uma frequência fundamental destas oscilações. Em uma segunda aplicação, é fornecido um controlador de velocidade no qual a largura da banda de absorção do mecanismo de perfuração é aumentada e a absorção de energia do(s) modo(s) em nivel(is) mais alto(s) é melhorada sobre a primeira aplicação, suficiente para inibir ambos os modos de oscilação, fundamental e em um nivel ou em niveis mais altos.

[00200] Em uma primeira aplicação, o sistema compreende um controlador de velocidade de "drive"do tipo PI sendo ajustado de modo que efetivamente amorteça as oscilações torsionais na ou próxima à frequência de atrito. É passivo no sentido de que ele não requer medidas de torque da coluna, correntes ou torque de "drive", como os sistemas alternativos fazem. As características de amortecimento de um mecanismo de perfuração ajustado caem na medida em que a frequência se afasta da frequência de atrito, mas o amortecimento jamais cai abaixo de zero, significando que o mecanismo de perfuração nunca irá amplificar as vibrações torsionais dos modos mais elevados. Em uma segunda aplicação, o sistema compreende um controlador de velocidade de "drive" do tipo PI ou PID sendo ajustado de modo que o mecanismo de perfuração possua uma largura da banda de absorção de frequências de oscilação mais ampla que incluam tanto o modo fundamental quanto, pelo menos, um modo de nivel mais alto das oscilações de atrito. 0 ajuste na segunda aplicação utiliza a compensação de inércia para reduzir a inércia efetiva do mecanismo de perfuração, conforme visto pelo controlador, e, assim, melhorar a largura da banda de absorção. Uma alternativa para ajustar o controlador PI ou PID é alterar para uma transmissão mais alta no mecanismo de perfuração.

[00201] As aplicações do presente Pedido de Patente de Invenção são adequadas para implementação em um PLC controlando um mecanismo de perfuração. O controlador PI ajustado pode ser implementado ou no próprio PLC ou, alternativamente, calcular as constantes P e I do controlador de velocidade e passar para o controlador de velocidade digital interno dos motores do "top drive". O presente Pedido de Patente de Invenção também inclui outros aspectos úteis, incluindo uma tela de interface de usuário, determinação automática da frequência de atrito, estimativa da velocidade instantânea da broca e cálculo da gravidade do atrito. Os últimos dois tem como base a geometria da coluna de perfuração e o sinal de torque medido.

[00202] Em conclusão, portanto, vê-se que o presente Pedido de Patente de Invenção e suas aplicações aqui divulgadas e aquelas cobertas pelas reivindicações em apenso são bem adaptadas para realizar os objetivos e obter os resultados estabelecidos. Determinadas alterações podem ser feitas na matéria objeto sem se afastar do espirito e escopo deste Pedido de Patente de Invenção. Entende-se que mudanças são possíveis dentro do escopo deste Pedido de Patente de Invenção e que este objetiva, ainda, que cada elemento ou etapa referido em qualquer das seguintes reivindicações seja entendido como se literalmente referente à etapa e/ou a todas as etapas ou elementos equivalentes. As reivindicações seguintes se destinam a cobrir o presente Pedido de Patente de Invenção tão amplamente quanto legalmente possivel, em qualquer forma que ele possa ser utilizado. O pedido de Patente de Invenção aqui reivindicado é novo e original em conformidade com a U.S.C. 35 § 102 e satisfaz as condições de patenteabilidade no § 102. O pedido de Patente de Invenção aqui reivindicado não é óbvio em conformidade com a U.S.C. 35 § 103 e satisfaz as condições de patenteabilidade no § 103. Esta especificação e as reivindicações que seguem estão em conformidade com todas as exigências da U.S.C. 35 § 112. Os inventores podem valer-se da Doutrina de Equivalentes para determinar e avaliar o escopo de seu pedido de Patente de Invenção e das reivindicações que seguem, uma vez que elas dizem respeito ao aparelho não substancialmente partindo do, mas de fora do escopo literal do Pedido de Patente de Invenção, conforme estabelecido nas reivindicações seguintes. Todas as patentes, aplicações de patente e papéis científicos aqui identificados são aqui totalmente incorporados para todos os fins.Legenda da FiguraFigura 22A) CONTROLADOR DO TOPDRIVE(DISPOSITIVO DE DIREÇÃO SUPERIOR) PLC2B) APARELHO DE CONTROLE DO USUÁRIO

Claims

1. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", o conjunto de orifício inferior (16) na extremidade inferior de uma coluna de perfuração (12) é acionada por um mecanismo de perfuração (30) na extremidade superior da dita coluna de perfuração e a coluna de perfuração é suspeita de sofrer oscilações de atrito que tem uma frequência fundamental estimada ou observada, cujo método consiste nos passos de (a) determinar variações num torque de "drive"de acionamento do dito mecanismo de perfuração (30), (b) combinar uma conformidade torsional conhecida da dita coluna de perfuração (12) com as ditas variações num torque de "drive"e (c) fornecer um sinal de saida representando a dita velocidade de rotação instantânea, em que o torque de "drive"de acionamento não é um sinal estritamente periódico, mas possui uma vasta gama de frequências fazendo um cálculo preciso de velocidade rotacional instantânea extremamente complicada e inadequada para implementação em um PLC (Controlador Lógico Programável) (38), caracterizado por as ditas variações no torque de "drive"de acionamento na etapa (a) serem expressas apenas na dita estimativa ou frequência fundamental observada, em que a estimativa da velocidade rotacional instantânea é simplificada de tal forma que pode ser implementada por um PLC (Controlador Lógico Programável) (38) e executada em tempo real.

2. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com a reivindicação número 1, caracterizado por o referido passo de determinação consistir na passagem de banda que filtra um sinal de torque de "drive" de acionamento com um filtro passa banda, centrado na referida frequência fundamental estimada ou observada.

3. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com a reivindicação número 2, caracterizado por a referida estimativa da velocidade rotacional instantânea consistir na determinação de uma velocidade de fundo usando um total de conformidade de linha de perfuração estática e um parâmetro de fase e determinar a soma de (i) um sinal filtrado de baixa passagem representando uma velocidade de rotação do referido mecanismo de perfuração (30) e (ii) da referida velocidade do fundo do poço.

4. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO" de acordo com qualquer uma das reivindicações números 1, 2 ou 3, caracterizado por consistir ainda no passo de determinar periodicamente a referida estimativa e emitir a referida estimativa num console de perfurador (34), em que um perfurador é fornecido com uma estimativa substancialmente em tempo real da velocidade de rotação instantânea da montagem do referido conjunto de estrutura inferior de poço (16).

5. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com qualquer uma das reivindicações números 1 a 4, caracterizado por consistir ainda no passo de determinar uma gravidade de atrito como a relação entre a amplitude dinâmica da velocidade de fundo e a velocidade rotacional média do dito mecanismo de perfuração (30), cuja gravidade é utilizável para fornecer um sinal de saida indicando a gravidade do atrito naquele ponto no tempo.

6. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, consistindo ainda nos passos de: (a) amortecimento das ditas oscilações de atrito usando o dito mecanismo de perfuração (30); e (b) controlar a velocidade de rotação do dito mecanismo de perfuração (30) usando um controlador Pi (Controlador Proporcional Integral) (42); caracterizado por a etapa de (c) sintonizar o dito controlador PI (Controlador Proporcional Integral) (42) de modo que o dito mecanismo de perfuração (30) absorva a maior parte da energia torsional da dita coluna de perfuração (12) a uma frequência que é igual à dita frequência fundamental estimada ou observada das ditas oscilações de atrito.

7. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por as oscilações de atrito consistirem ondas de torção que se propagam ao longo da referida coluna de perfuração (12) e em que o passo (c) compreende ajustar um termo I, em que I = ωs2J, onde ωsé uma frequência angular estimada das referidas oscilações de atrito e J é a inércia efetiva do dito mecanismo de perfuração (30), do referido controlador PI (Controlador Proporcional Integral) (42) em um periodo da dita frequência fundamental estimada ou observada das ditas oscilações de deslizamento e de uma inércia efetiva do dito mecanismo de perfuração (30), em que o dito mecanismo de perfuração (30) tem um coeficiente de reflexão dependente da frequência das ditas ondas de torsão, cujo coeficiente de reflexão substancialmente a um mínimo ou perto da dita frequência fundamental estimada ou observada de oscilações de atrito.

8. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com a reivindicação número 7, caracterizado por consistir ainda no passo de ajustar o dito termo de acordo com I = ωs2J, onde ωsé uma frequência angular estimada das referidas oscilações de atrito e J é a inércia efetiva do dito mecanismo de perfuração (30).

9. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com a reivindicação número 7 ou 8, caracterizado por a dita inércia efetiva consistir na inércia mecânica total do dito mecanismo de perfuração (30) em um eixo de saída do mesmo.

10. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com qualquer uma das reivindicações números 6, 7, 8 ou 9, caracterizado por consistir ainda no passo de reduzir uma inércia efetiva do referido mecanismo de perfuração (30), pelo que um efeito de amortecimento do referido mecanismo de perfuração é aumentado para frequências acima da referida frequência fundamental.

11. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", de acordo com a reivindicação número 10, caracterizado por o passo de reduzir a dita inércia efetiva consistir no passo de sintonizar o dito controlador PI (Controlador Proporcional Integral) (42) com um termo de torque de "drive"adicional que é proporcional à aceleração angular do dito mecanismo deperfuração (30).

12. "MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE ROTACIONAL INSTANTÂNEA DE UMA ESTRUTURA INFERIOR DO POÇO", para melhorar um mecanismo de perfuração (30) numa plataforma de perfuração (10), cujo método consiste nas etapas de transferir instruções executáveis de computador para um controlador eletrônico (38) na dita plataforma de perfuração (10), que controlador eletrônico (38) serve para controlar ou monitorar o funcionamento do referido mecanismo de perfuração (30), caracterizado por as ditas instruções executáveis por computador consistirem em instruções para executar um método de acordo com qualquer uma das reivindicações de números 1 a 11.