BRPI0920409B1

BRPI0920409B1 - broca de perfuração, método e aparelho para a perfuração de um furo de poço

Info

Publication number: BRPI0920409B1
Application number: BRPI0920409-1A
Authority: BR
Inventors: J Beuershausen Chad
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2019-10-29
Also published as: CA2736710C; CA2736710A1; EP2340346B1; WO2010042797A2; US8205686B2; WO2010042797A4; US20100071956A1; EP2340346A4; EP2340346A2; BRPI0920409A2; WO2010042797A3

Abstract

broca de perfuração, método e aparelho para a perfuração de um furo de poço a presente invenção refere-se a um método e aparelho de perfuração de um furo de poço, e a uma broca de perfuração, que compreende um corpo de broca que inclui uma seção de face incluindo um ou mais cortadores nesta configurados para penetrar em uma formação. a broca de perfuração também compreende pelo menos um coxim extensível na seção de face para controlar flutuações da broca de perfuração, e uma unidade de acionamento configurada para aplicar uma força selecionada em pelo menos um coxim extensível, para mover o pelo menos um coxim a partir de uma posição retraída até uma posição estendida selecionada, e reduzir a força selecionada aplicada, para fazer com que o pelo menos um coxim extensível se retraia a partir da posição estendida selecionada. o pelo menos um coxim extensível sendo configurado para estender-se e retrair-se em uma direção que é substancialmente paralela a um eixo longitudinal da broca de perfuração, e um elemento de impulsão acoplado ao pelo menos um coxim extensível fazendo com que o pelo menos um coxim extensível se retraia quando a força aplicada ao pelo menos um coxim extensível é reduzida.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para BROCA DE PERFURAÇÃO, MÉTODO E APARELHO PARA A PERFURAÇÃO DE UM FURO DE POÇO.

Informação Antecedente

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se geralmente a brocas de perfuração e sistemas que utilizam os mesmos para perfurar furos de poço. Antecedentes da Técnica

Os poços de petróleo (também referidos como furos de poço ou fundos de perfuração) são perfurados com uma coluna de perfuração que inclui um elemento tubular que tem uma montagem de perfuração (também referida como a montagem de fundo do poço ou BHA). A BHA inclui, tipicamente, dispositivos e sensores que proporcionam informações que se referem a uma variedade de parâmetros que se referem às operações de perfuração (parâmetros de perfuração), o comportamento da BHA (parâmetros de BHA) e parâmetros que se referem à formação que circunda o furo de poço (parâmetros de formação). Uma broca de perfuração é fixada à extremidade de fundo da BHA. A broca de perfuração é girada ao girar a coluna de perfuração e/ou através de um motor de perfuração (também referido como um motor de fundo) na BHA a fim de desintegrar a formação de rocha para perfurar furo de poço. Um grande número de furos de poço é perfurado ao longo de trajetórias de contorno. Por exemplo, um único furo de poço pode incluir uma ou mais seções verticais, seções de desvio e seções horizontais através de tipos diferentes de formações de rocha. Quando a perfuração progride a partir de uma formação macia, tal como, areia, para uma formação dura, tal como, xisto ou vice-versa, a taxa de penetração (ROP) da perfuração altera e pode causar (reduções ou aumentos) flutuações ou vibração excessiva (lateral ou de torção) na broca de perfuração. A ROP é tipicamente controlada ao controlar o peso aplicado na broca (WOB) e velocidade rotacional (revoluções por minuto ou RPM) da broca de perfuração, a fim de controlar as flutuações da broca de perfuração. O WOB é controlado ao controlar a carga de gancho na superfície e a RPM é controla2/17 da ao controlar a rotação da coluna de perfuração na superfície e/ou ao controlar a velocidade do motor de perfuração na BHA. O controle das flutuações da broca de perfuração e ROP através de tais métodos requer que o sistema ou operador de perfuração adotar ações na superfície. O impacto de tais ações de superfície nas flutuações da broca de perfuração não é substancialmente imediato. Isto ocorre em um período de tempo posterior, dependendo da profundidade do furo de poço.

Portanto, existe uma necessidade de proporcionar uma broca de perfuração aprimorada e um sistema para usar a mesma para controlar flutuações da broca de perfuração e ROP da broca de perfuração durante a perfuração de um furo de poço.

Sumário da Invenção

Em um aspecto, descreve-se uma broca de perfuração que, em uma configuração, inclui uma seção de face que tem um ou mais cortadores nesta e um ou mais coxins seletivamente extensíveis (ou ajustáveis ou estendíveis) na seção de face da broca de perfuração para controlar flutuações (de torção ou transversais) da broca de perfuração durante a perfuração de um furo de poço.

Em outro aspecto, descreve-se um método para fabricação de uma broca de perfuração que pode incluir: proporcionar um cortador e pelo menos um coxim em uma seção de face da broca de perfuração, em que pelo menos um coxim é configurada para se estender a partir de uma posição selecionada e se retrair a partir da posição extensível para controlar as flutuações da broca de perfuração durante a perfuração de um furo de poço.

Em outro aspecto, proporciona-se um método de perfuração de um furo de poço que pode incluir: transportar a broca de perfuração fixada a uma montagem de fundo do poço para dentro do furo de poço, a broca de perfuração que tem pelo menos um cortador e pelo menos um coxim em uma seção de face da broca de perfuração; perfurar o furo de poço ao girar a broca de perfuração; e aplicar uma força em pelo menos um coxim para estender pelo menos um coxim a partir de uma posição retraída até uma posição estendida selecionada e reduzir a força aplicada em pelo menos um

3/17 coxim para fazer com que pelo menos um coxim retraia a partir da posição estendida selecionada para controlar as flutuações da broca de perfuração durante a perfuração do furo de poço.

Ainda em outro aspecto, descreve-se um aparelho para uso na perfuração de um furo de poço que, em uma configuração, pode incluir: uma broca de perfuração fixada a uma extremidade de fundo de uma BHA, a broca de perfuração que tem uma seção de face que inclui um ou mais cortadores e pelo menos um coxim; e um dispositivo de acionamento configurado para aplicar uma força em pelo menos um coxim para estender pelo menos um coxim a partir da seção de face até uma posição estendida selecionada e reduzir a força aplicada para fazer com que pelo menos um coxim retraia a partir da posição estendida selecionada.

Os exemplos de determinados recursos do aparelho e método descritos no presente documento são resumidos a fim de que a descrição detalhada deste possa ser mais bem entendida. Certamente, existem recursos adicionais do aparelho e método posteriormente descritos que irão formar o assunto das reivindicações em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos

A descrição do presente documento é mais bem entendida com referência às figuras em anexo em que referências numéricas similares geralmente foram designadas aos elementos similares e em que:

A figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de perfuração exemplificativo que inclui uma coluna de perfuração que tem uma broca de perfuração formada de acordo com uma modalidade da descrição;

A figura 2A é uma vista isométrica de uma broca de perfuração exemplificativa que mostra a colocação de uma ou mais coxins ajustáveis na broca de perfuração, de acordo com uma modalidade da descrição;

A figura 2B mostra uma vista isométrica da seção de fundo da broca de perfuração da figura 2A que mostra a colocação dos coxins, de acordo com um método da descrição;

A figura 3A mostra uma porção da broca de perfuração da figura 2A que inclui um canal de fluido em comunicação com um coxim extensível

4/17 na seção de face da broca de perfuração e um dispositivo de acionamento para acionar o coxim extensível, de acordo com uma modalidade da descrição;

A figura 3B mostra uma porção da broca de perfuração da figura 2A que inclui um canal de fluido em comunicação com um coxim extensível em um lado da broca de perfuração e um dispositivo de acionamento para acionar o coxim extensível, de acordo com uma modalidade da descrição;

A figura 4 é um diagrama esquemático que mostra um coxim extensível em uma posição extensível em relação aos elementos de corte na seção de face da broca de perfuração da figura 2A.

Descrição Detalhada das Modalidades

A figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de perfuração exemplificativo 100 que pode utilizar brocas de perfuração produzidas de acordo com a descrição no presente documento. A figura 1 mostra um furo de poço 110 que tem uma seção superior 111 com um revestimento 112 instalado nesta e uma seção inferior 114 que é perfurada com uma coluna de perfuração 118. A coluna de perfuração 118 mostrada inclui um elemento tubular 116 com uma BHA 130 fixada em sua extremidade de fundo. O elemento tubular 116 pode ser formado ao unir seções de tubo de perfuração ou pode ser uma tubagem espiral. Uma broca de perfuração 150 é mostrada fixada à extremidade de fundo da BHA 130 para desintegrar a formação de rocha 119 para perfurar o furo de poço 110 de um diâmetro selecionado.

A coluna de perfuração 118 é mostrada transportada para dentro do furo de poço 110 a partir de uma sonda 180 na superfície 167. A sonda exemplificativa 180 mostrada é uma sonda terrestre para facilidade de explicação. O aparelho e os métodos descritos no presente documento também podem ser utilizados em uma sonda marítima usada para perfurar furos de poço sob a água. Uma mesa rotativa 169 ou top drive (não mostrado) acoplado à coluna de perfuração 118 pode ser utilizada para girar a coluna de perfuração 118 para girar a BHA 130 e, deste modo, a broca de perfuração 150 para perfurar o furo de poço 110. Um motor de perfuração 155 (também referido como motor de fundo) pode ser proporcionado na BHA 130 para

5/17 girar a broca de perfuração 150. O motor de perfuração 155 pode ser usado sozinho para girar a broca de perfuração 150 ou para sobrepor a rotação da broca de perfuração através da coluna de perfuração 118. Uma unidade de controle (ou controlador) 190, que pode ser uma unidade baseada em computador, pode ser colocada na superfície 167 para receber e processar os dados transmitidos pelos sensores na broca de perfuração 150 e os sensores na BHA 130, e controlar as operações selecionadas dos diversos dispositivos e sensores na BHA 130. Um controlador de superfície 190, em uma modalidade, pode incluir um processador 192, um dispositivo de armazenamento de dados (ou um meio legível por computado) 194 para armazenar dados, algoritmos e programas de computador 196. O dispositivo de armazenamento de dados 194 pode ser qualquer dispositivo adequado que inclui, porém, não se limita a uma memória somente leitura (ROM), uma memória de acesso aleatório (RAM), uma memória flash, uma fita magnética, um disco rígido e um disco óptico. Durante a perfuração, um fluido de perfuração 179 a partir de uma fonte deste é bombeado sob pressão para dentro do elemento tubular 116. O fluido de perfuração descarrega no fundo da broca de perfuração 150 e retorna até a superfície através do espaço anular (também referido como o anular) entre a coluna de perfuração 118 e a parede interna 142 do furo de poço 110.

Ainda referindo-se à figura 1, a broca de perfuração 150 inclui uma seção de face (ou seção de fundo) 152. A seção de face 152 ou uma porção desta faz face com a formação na frente da broca de perfuração ou o fundo do furo de poço durante a perfuração. A broca de perfuração 150, em um aspecto, inclui uma ou mais coxins 160 na seção de face 152 que pode ser estendida de maneira ajustável (também referida como selecionável ou controlável) a partir da seção de face 152 durante a perfuração. Os coxins 160 também são referidos no presente documento como coxins estendíveis, coxins extensíveis ou coxins ajustáveis. Um dispositivo de acionamento adequado (ou unidade de acionamento) 155 na BHA 130 e/ou na broca de perfuração 150 pode ser utilizado para ativar os coxins 160 durante a perfuração do furo de poço 110. Um sensor adequado 178 associado aos

6/17 coxins 160 ou associado à unidade de acionamento 155 proporciona sinais que correspondem à força aplicada nos coxins ou determina a extensão do coxim. A BHA 130 pode incluir adicionalmente um ou mais sensores do fundo do poço (coletivamente designados pela referência numérica 175). Os sensores 175 podem incluir qualquer número e tipo de sensores que incluem, porém, não se limitam a, sensores geralmente conhecidos como os sensores de medição durante a perfuração (MWD) sensores ou os sensores de perfilagem durante a perfuração (LWD), e sensores que proporcionam informações que se referem ao comportamento da BHA 130, tal como, rotação da broca de perfuração (revoluções por minuto ou RPM), face de ferramenta, pressão, vibração, rotação, flexão e adesão-deslizamento (stickslip). A BHA 130 pode incluir adicionaimente uma unidade de controle (ou controlador) 170 configurado para controlar a operação dos coxins 160 e para processar pelo menos parcialmente os dados recebidos a partir dos sensores 175 e 178. O controlador 170 pode incluir, entre outras coisas, circuitos para processar os sinais de sensor 178 (por exemplo, amplificar e digitalizar os sinais), um processador 172 (tal como, um microprocessador) para processar os sinais digitalizados, um dispositivo de armazenamento de dados 174 (tal como, uma memória de estado sólido) e um programa de computador 176. O processador 172 pode processar os sinais digitalizados, controlar a operação dos coxins 160, processar dados a partir de outros sensores do fundo do poço, controlar outros dispositivos e sensores do fundo do poço e comunicar informações de dados com o controlador 190 através de uma unidade de telemetria bidirecional 188. Em um aspecto, o controlador 170 pode ajustar a extensão dos coxins 160 para controlar as flutuações da broca de perfuração ou ROP para aumentar a efetividade da perfuração e para prolongar a vida da broca de perfuração 150. O aumento da extensão do coxim pode reduzir a exposição do cortador à formação da profundidade de corte do cortador. A redução da exposição do cortador pode resultar na redução das flutuações de torção ou laterais, ROP, rotação, adesão-deslizamento, momento de flexão, vibração, etc., que, por sua vez, pode resultar na perfuração de um furo mais macio e tensão reduzida na broca de

7/17 perfuração 150 e BHA 130 que prolonga, deste modo, as vidas úteis da BHA e da broca de perfuração. Para os mesmos WOB e RPM, a ROP geralmente é mais alta na perfuração em uma formação macia, tal como, areia, do que na perfuração em uma formação dura, tal como, xisto. A transição da perfuração a partir de uma formação macia até uma formação dura pode causar flutuações laterais excessivas devido à redução na ROP enquanto muda de uma formação dura para uma formação macia pode causar flutuações de torção excessivas na broca de perfuração devido a um aumento na ROP. O controle das flutuações da broca de perfuração, portanto, é desejável quando muda de uma formação macia para uma formação dura ou vice-versa. A extensão do coxim pode ser controlada com base em um ou mais parâmetros que incluem, porém, não se limitam a, pressão, face de ferramenta, ROP, rotação, vibração, torque, momento de flexão, adesão-deslizamento e tipo de rocha. O ajuste de maneira automática e seletiva da extensão do coxim permite que o sistema 100 controle as flutuações de torção e laterais da broca de perfuração, ROP e outros parâmetros de broca de perfuração e BHA físicos sem alterar o peso aplicado na broca ou na broca de perfuração RPM na superfície. O controle dos coxins 160 é adicionalmente descrito com referência às figuras 2A, 2B, 3A e 3B.

A figura 2A mostra uma vista isométrica da broca de perfuração 150 produzida de acordo com uma modalidade da descrição. A broca de perfuração 150 mostrada é uma broca compacta de diamante policristalino (PDC) que tem um corpo de broca 212 que inclui uma seção 212a que inclui elementos de corte e haste 212b que se conectam a uma BHA. A seção 212a inclui uma seção de face 218a (também referida no presente documento como a seção de fundo). Para o propósito desta descrição, a seção de face 218a pode compreender um bico, cone e ombro, conforme mostrado na figura 3A. A seção 212a mostrada inclui inúmeros perfis de lâmina 214a, 214b, , 214n (também referidos como perfis). Cada perfil de lâmina inclui cortadores na seção de face 218a. Cada perfil de lâmina termina próximo a um centro da broca de perfuração 215. O centro 215 faz face (ou fica em frente) com o fundo do furo de poço 110 na frente da broca de perfuração

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150 durante a perfuração do furo de poço. Uma porção lateral da broca de perfuração 150 é substancialmente paralela ao eixo geométrico longitudinal 222 da broca de perfuração 150. Inúmeros cortadores espaçados são colocados ao longo de cada perfil de lâmina. Por exemplo, o perfil de lâmina 214n mostrado contém cortadores 216a-216m. Cada cortador tem uma superfície de corte ou elemento de corte, tal como, o elemento de corte 216a' para o cortador 216a, que engata a formação de rocha quando a broca de perfuração 150 for girada durante a perfuração do furo de poço. Cada cortador 216a-216m tem um ângulo de inclinação posterior e um ângulo de inclinação lateral que em combinação definem a profundidade de corte do cortador na formação de rocha. Cada cortador também tem uma profundidade máxima de corte na formação.

Ainda referindo-se à figura 2A, inúmeros coxins extensíveis, tal como, o coxim 240, podem ser colocados na seção de face 218a da broca de perfuração 150. Em uma configuração, o coxim 240 pode ser colocada próxima aos cortadores de um perfil de lâmina (214a-214n). Cada coxim 240 pode ser colocado em uma cavidade associada 242. O coxim 240 pode ser estendido de maneira controlável a partir da seção de face 218a e retraída na cavidade 242. A extensão do coxim 240 depende da força aplicada ao coxim 240. O coxim 240 retrai em direção à cavidade 242 quando a força for liberada ou reduzida a partir do coxim 240. Em uma configuração, um elemento de dispositivo de acionamento 350' (figura 3A) pode fornecer um fluido sob pressão para o coxim 240 através de um canal de fluido 244 associado ao coxim 240 para estender o coxim 240 a partir da seção de face 218a. Um dispositivo de acionamento particular é descrito em mais detalhes com _ref_erência à figura 3. Um elemento de impulsão pode ser acoplado ao coxim 240 para fazer com que o coxim 240 se retraia.

A figura 2B mostra uma vista isométrica de uma seção de face 252 de uma broca de perfuração PDC exemplificativa 250. A broca de perfuração 250 mostrada inclui seis perfis de lâmina 260a-260f, cada perfil de lâmina que inclui uma pluralidade de cortadores, tais como, cortadores 262a262m para o perfil de lâmina 260a. Os perfis de lâmina alternados 260a,

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260c e 260e mostrados se convergem em direção ao centro 215 da broca de perfuração 250 enquanto os perfis de lâmina remanescentes 260b, 260d e 260f mostrados terminam respectivamente na lateral dos perfis de lâmina 260c, 260e e 260a. Os canais de fluido 278a-278f descarregam o fluido de perfuração 179 (figura 1) no fundo da broca de perfuração. A configuração específica da figura 3 mostra três coxins ajustáveis na seção de face 252 da broca de perfuração 250, cada uma ao longo de um perfil de lâmina associado: o coxim 270a ao longo do perfil de lâmina 260a; o coxim 270c ao longo do perfil de lâmina 260c; e o coxim 270e ao longo do perfil de lâmina 260e. Os coxins 270a, 270c e 270e são mostrados situados em suas respectivas cavidades 272a, 272c e 272e. Conforme descrito com referência à figura 2A, cada coxim 272a, 272c e 272e pode ser seletivamente estendido em uma distância desejada a partir da seção de face 252 ao aplicar uma força desejada nesta. Em uma configuração, todas os coxins 270a, 270c e 270e podem ser colocados de maneira simétrica ao redor do centro 215 e podem ser configurados para se estender na mesma distância a partir da seção de face de broca de perfuração 252 para controlar as flutuações da broca de perfuração ou ROP. Embora seis perfis de lâmina (260a-260f) e três coxins sejam mostrados, a broca de perfuração 250 pode incluir qualquer número adequado de perfis de lâmina e coxins (270a, 270c, 270f). Além disso, os conceitos mostrados e descritos no presente documento são igualmente aplicáveis em brocas de perfuração não PDC.

A figura 3A mostra uma vista lateral parcial 300 de um perfil de lâmina exemplificativo 310 da broca de perfuração 250 (figura 2B). O perfil de lâmina 310 mostrado inclui um cortador exemplificativo 316' situado dentro do corpo de broca 315. O cortador 316' tem um elemento de corte ou superfície de corte 318'. O cortador 316' se estende em uma distância selecionada a partir da seção de face 320 do perfil de lâmina 310. O perfil de lâmina 310 adicionalmente mostrado inclui um coxim extensível 340' próxima ao cortador 316'. O coxim 340' pode ser situado em um recesso ou assento compatível 342' no perfil de lâmina 310. Em uma modalidade, um fluido sob pressão a partir de uma fonte deste pode ser fornecido para o coxim 340'

10/17 através de uma linha de fluido ou canal de fluido 344' formado no perfil de lâmina 310 ou em outra localização adequada no corpo da broca de perfuração. O fluido para o coxim 340' pode ser fornecido por um dispositivo de acionamento ou de força 350' situado dentro ou fora da broca de perfuração 5 250. O fluido pode ser um fluido limpo armazenado em um reservatório 352' ou este pode ser o fluido de perfuração 179 (figura 1) fornecido para a broca de perfuração 250 durante a perfuração do furo de poço 110 (figura 1). Em outro aspecto, o fluido a partir do dispositivo ou unidade de acionamento 350' pode ser fornecido em um pistão 346' que move o coxim ajustável 340' 10 para fora (longe da seção de face 320'). O dispositivo de acionamento 350' pode ser qualquer dispositivo adequado que inclui, porém não se limita a, um dispositivo elétrico, tal como, um motor, um dispositivo eletromecânico ou hidráulico, tal como, uma bomba acionada por um motor, um dispositivo hidráulico, tal como, uma bomba acionada por uma turbina acionada por flui15 do, e um dispositivo mecânico, tal como, um dispositivo tipo anel que permite seletivamente que um fluido flua para o coxim 340'. O fluido fornecido para o coxim 340' pode ser mantido sob pressão para manter o coxim em uma extensão desejada. Em uma configuração, o coxim 340' pode ser mantida em uma posição extensível desejada ao manter o dispositivo de acionamento 20 350' em um modo ativo. Em outro aspecto, um dispositivo de controle de fluxo de fluido 354', tal como, uma válvula, pode ser associado ao coxim extensível 340' para controlar o fornecimento do fluido para o coxim. Em uma configuração, um dispositivo de acionamento comum 350' pode ser utilizado para fornecer o fluido para cada coxim através de uma válvula de controle 25 comum. Em outra configuração, um dispositivo de acionamento comum pode ser utilizado com uma válvula de controle separada para cada coxim para controlar o fornecimento de fluido para cada um dos coxins. Em ainda outra configuração, um dispositivo de acionamento separado com uma válvula de controle separada pode ser usado para cada coxim. Em outra configuração, 30 uma unidade de acionamento elétrica que pode ser utilizada move um elemento linear para estender e retrair o coxim 340'. Um sensor 345' próximo ao coxim 340' pode ser usado para proporcionar sinais representativos da

11/17 quantidade de extensão do coxim. O sensor pode ser um sensor de movimento linear, um sensor de pressão ou qualquer outro sensor adequado 345'. O processador 172 na BHA 130 (figura 1) pode ser configurado para controlar a operação do dispositivo de acionamento 350' em resposta a um parâmetro medido do fundo do poço, uma instrução armazenada no dispositivo de armazenamento 174, ou uma instrução enviada a partir do controlador de superfície 190 ou um operador na superfície. O movimento do coxim extensível 340' em relação ao fluido fornecido para esta pode ser calibrado na superfície e os dados calibrados podem ser armazenados no dispositivo de armazenamento de dados 174 para uso pelo processador 172. Quando um motor elétrico for usado para ativar um dispositivo linear para mover o coxim 340', a quantidade de rotação pode ser usada para controlar a extensão do coxim. Em outro aspecto, um dispositivo que se deforma (tal como, um dispositivo piezelétrico) mediante uma aplicação de um sinal de excitação pode ser usado para estender e retrair o coxim 340'. A quantidade de sinal de excitação determina a deformação do dispositivo de acionamento e, deste modo, a extensão e retração do coxim. O coxim 340' se retrai mediante a liberação do sinal de excitação.

A figura 3B mostra uma vista lateral parcial 300 de um perfil de lâmina exemplificativo 314. O perfil de lâmina 314 mostrado inclui um cortador 316 situado na seção lateral 320 do corpo de lâmina 315. O cortador 316 tem um elemento de corte ou superfície de corte 318. O cortador 316 se estende uma distância selecionada a partir da lateral 320 do perfil de lâmina 314. O perfil de lâmina 314 também mostrado inclui um coxim extensível 340 próximo ao cortador 316. O coxim extensível 340 pode ser situado em um recesso ou assento compatível 342 no corpo do perfil de lâmina 315. Em uma modalidade, o fluido sob pressão a partir de uma fonte deste pode ser fornecido para o coxim extensível 340 através de uma linha de fluido ou canal de fluido 344 formado no perfil de lâmina 315 ou em outra localização adequada no corpo de broca. O fluido para o coxim extensível 340 pode ser fornecido por um dispositivo de acionamento ou de força 350 situado dentro ou fora da broca de perfuração 150. O fluido pode ser um fluido limpo arma12/17 zenado no reservatório 352 ou pode ser o fluido de perfuração 179 (figura 1) fornecido para a broca de perfuração 150 durante a perfuração do furo de poço 110 (figura 1). Em outro aspecto, o fluido a partir da unidade de acionamento 350 pode ser fornecido para um pistão 346 que move o coxim extensível ou ajustável 340 para fora (longe do perfil de lâmina 315). O dispositivo de acionamento 350 pode ser qualquer dispositivo adequado que inclui, porém, não se limita a, um dispositivo elétrico, tal como, um motor, um dispositivo eletromecânico, tal como, uma bomba acionada por um motor, um dispositivo hidráulico, tal como, uma bomba acionada por uma turbina operada pelo fluido que flui na BHA, e um dispositivo mecânico, tal como, um dispositivo tipo anel que permite seletivamente que um fluido flua até o coxim 340. O fluido fornecido para o coxim extensível 340 é mantido sob pressão enquanto o coxim extensível 340 se encontra na lateral inferior do furo de poço 110. Em uma configuração, o coxim extensível 340 pode ser mantida em uma posição extensível desejada ao manter o dispositivo de acionamento 350 em um modo ativo. Em outro aspecto, um dispositivo de controle de fluxo de fluido 354, tal como uma válvula, pode ser associado a cada coxim ajustável para controlar o fornecimento do fluido até seu coxim associado. Em tal configuração, um dispositivo de acionamento comum 350 pode ser utilizado para fornecer o fluido para todas as válvulas de controle. Em outra configuração, um dispositivo de acionamento separado pode ser utilizado para controlar o fornecimento de fluido para cada uma dos coxins 340. O processador 172 na BHA (figura 1) pode ser configurado para controlar a operação do dispositivo de acionamento 350 em resposta a um parâmetro medido do fundo do poço ou uma instrução armazenada no dispositivo de armazenamento 174 ou uma instrução enviada a partir do controlador de superfície 190. O movimento do coxim ajustável 340 em relação ao fluido fornecido para esta pode ser calibrado na superfície e os dados calibrados podem ser armazenados no dispositivo de armazenamento de dados 174 para uso através do processador 172. Em um aspecto, alguns dos componentes que são usados para ativar o coxim 340 na lateral da lâmina e os coxins 340' na seção de face podem ser comuns. Por exemplo, um dispositivo

13/17 de acionamento comum com válvula de controles diferentes pode ser utilizado para ativar o coxim lateral 340 e os coxins de fundo 340'. Deste modo, em uma modalidade, um coxim ajustável, tal como, o coxim 340, na lateral de um perfil de lâmina e uma ou mais coxins, tais como, os coxins 340' na seção de face de uma broca de perfuração podem ser utilizados. O coxim lateral 340 pode ser usada para alterar a direção da broca de perfuração 150, enquanto os coxins 340' na seção de face 320 podem ser usadas para controlar o fundo do poço ROR.

A figura 4 mostra um coxim extensível 440 em uma posição extensível. A extensão de coxim 440 pode ser ajustada pela quantidade da força aplicada no coxim 440. O coxim extensível 440 é mostrado estendido através de uma distância d e pode ser estendida até uma posição extensível máxima ou total, conforme mostrado pela linha pontilhada 444. O coxim 440 permanece em sua posição estendida selecionada ou desejada até a força aplicada no coxim 440 ser reduzida ou removida pelo dispositivo de acionamento. Por exemplo, na configuração mostrada na figura 3A, o fechamento da válvula 354' ou contenção do dispositivo de acionamento 350' de uma maneira que evita que o fluido fornecido para o coxim 440 retorne para o dispositivo de armazenamento fluido 352' irá fazer com que o coxim 440' permaneça na posição estendida selecionada. Quando a válvula 354' for aberta ou o dispositivo de acionamento 350' for desativado, pouca ou nenhuma força é aplicada no coxim extensível 340'. A ausência de força permite que o coxim 340' retraia ou recue a partir da posição extensível. Um elemento de impulsão 460' também pode ser proporcionado para cada coxim 440 para fazer com que o coxim 440 retraia quando a força npo coxim 440 for reduzida ou removida.

Referindo-se às figuras 1 a 4, em operação, a extensão do coxim pode ser controlada com base no impacto desejado na taxa de penetração da broca de perfuração na formação terrestre e/ou uma propriedade da broca de perfuração 150 ou da BHA 130. A extensão do coxim pode ser controlada com base em qualquer um ou mais parâmetros desejados que incluem, porém, não se limitam a, vibração, broca de perfuração lateral ou flutua14/17 ções de torção, ROP, pressão, face de ferramenta, tipo de rocha, vibração, rotação, momento de flexão, adesão-deslizamento, direção de torque e perfuração. Em geral, entretanto, quanto maior a extensão do coxim, maior a redução na ROP da broca de perfuração na formação. Uma broca de perfu5 ração formada de acordo com qualquer uma das modalidades descritas no presente documento pode ser empregada para reduzir a profundidade de corte através dos cortadores na seção de face da broca de perfuração que, por sua vez, afeta as flutuações da broca de perfuração e ROP. A redução nas flutuações da broca de perfuração (de torção ou laterais) pode afetar um 10 ou mais parâmetros de broca de perfuração e/ou BHA físicos. A relação entre a força aplicada e a extensão do coxim pode ser obtida em teste laboratorial. A relação calculada ou, de outro modo, determinada (tal como, através de modelagem) entre a força aplicada, extensão do coxim, a alteração correspondente nas flutuações da broca de perfuração, ROP e o impacto em 15 qualquer outro parâmetro pode ser armazenada no dispositivo de armazenamento de dados de fundo de poço 274 e/ou na superfície dispositivo de armazenamento de dados 194. Tal informação pode ser armazenada em qualquer forma adequada que inclui, porém, não se limita a, um ou mais algoritmos, curvas, matrizes e tabelas. A extensão do coxim pode ser contro20 lada pelo controlador de fundo do poço 270 e/ou pelo controlador de superfície 190. O sistema 100 proporcionado no presente documento pode controlar de maneira automática e dinâmica a extensão dos coxins e, deste modo, as flutuações da broca de perfuração, ROP e outros parâmetros durante a perfuração do furo de poço 110 sem alterar outros determinados parâmetros, 25 tal como, WOB e RPM. A extensão do coxim 340 (figura 3B) no lado da broca de perfuração pode ser controlada da mesma maneira que o coxim 340' (Fig. 3A) na seção de face, com base em quaisquer parâmetros desejados, para alterar a direção de perfuração. O coxim lateral, tal como, o coxim 340, e os coxins na seção de face, tais como, os coxins 340' podem ser ativados 30 concorrentemente a fim de alterar a direção de perfuração e a ROP de maneira substancialmente simultânea.

Deste modo, em um aspecto, descreve-se uma broca de perfu15/17 ração em uma configuração que pode incluir uma seção de face ou face de fundo que inclui um ou mais cortadores nesta configurada para penetrar em uma formação terrestre e inúmeros coxins seletivamente extensíveis para controlar flutuações da broca de perfuração ou ROP da broca de perfuração na formação terrestre durante a perfuração de um furo de poço. Em um aspecto, cada coxim pode ser configurado para se estender a partir da seção de face mediante a aplicada de uma força nesta. O coxim retrai em direção à seção de face quando a força é reduzida ou removida. Cada coxim pode ser situado em uma cavidade associada na broca de perfuração. Um elemento de impulsão pode ser proporcionado para cada coxim que faz com que o coxim recue quando a força aplicada no coxim for reduzido ou removido. O elemento de impulsão pode ser diretamente acoplado ou fixado ao coxim. Qualquer elemento de impulsão adequado pode ser usado que inclui, porém, não se limita a, uma mola. A força em cada coxim pode ser proporcionada por qualquer dispositivo de acionamento adequado que inclui, porém, não se limita a, um dispositivo que fornece um fluido sob pressão para o coxim ou a um pistão que move o coxim e um dispositivo ou material de alteração de formato que altera seu formato ou se deforma em resposta a um sinal de excitação. O dispositivo de alteração de formato retorna ao seu formato original mediante a remoção da excitação. A quantidade da alteração no formato depende da quantidade do sinal de excitação. O dispositivo que fornece o fluido sob pressão pode ser uma bomba operada por um motor elétrico ou uma turbina operada pelo fluido de perfuração. O fluido pode ser um fluido limpo (tal como, um óleo) armazenado em uma câmara de armazenamento na BHA ou pode ser o fluido de perfuração. Um canal de fluido a partir da bomba para cada coxim pode fornecer o fluido. Em outra configuração, o fluido pode ser fornecido para um pistão fixado ao coxim. O movimento de pistão resultante estende o coxim. Uma válvula de controle pode ser proporcionada para controlar o fluido para dentro dos canais de fluido ou para os pistões. Em um aspecto, todas os coxins podem ser estendidos até a mesma extensão ou distância a partir da seção de fundo. Um dispositivo de acionamento e válvula de controle comuns podem ser usados.

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Em outro aspecto, descreve-se um método para fabricar uma broca de perfuração que inclui: proporcionar uma pluralidade de perfis de lâmina que terminam em uma seção de fundo da broca de perfuração, cada perfil de lâmina que tem pelo menos um cortador nesta; e colocar uma pluralidade de coxins extensíveis na seção de fundo da broca de perfuração, sendo que cada coxim extensível é configurado para se estender em uma distância selecionada a partir da seção de fundo mediante a aplicação de uma força e retrair em direção à seção de fundo mediante a remoção da força no coxim extensível. O método pode incluir adicionalmente colocar cada coxim extensível em uma cavidade associada na seção de fundo de broca de perfuração. O método pode incluir adicionalmente acoplar um elemento de impulsão a cada coxim extensível. O elemento de impulsão é configurado para retrair seu coxim associado mediante a remoção da força aplicada ao coxim. Um ou mais canais de fluido podem fornecer um fluido sob pressão para os coxins para fazer com que os coxins se estendam até as respectivas posições selecionadas. O método pode incluir adicionalmente proporcionar um dispositivo de acionamento que fornece a força para cada coxim na pluralidade de coxins. O dispositivo de acionamento pode incluir pelo menos um entre: um dispositivo que fornece fluido sob pressão para cada coxim; e um dispositivo ou material de alteração de formato que se deforma em resposta a um sinal de excitação.

Em outro aspecto, descreve-se uma BHA para uso na perfuração de um furo de poço que, em uma configuração, pode incluir uma broca de perfuração fixada a uma extremidade de fundo da BHA, a broca de perfuração que inclui uma seção de fundo que inclui um ou mais cortadores nesta configurada para penetrar em uma formação. A broca de perfuração também pode incluir uma pluralidade de coxins extensíveis na seção de fundo; e uma unidade de acionamento que é configurada para aplicar força a cada coxim para estender cada coxim até uma extensão desejada. A extensão resulta na alteração das flutuações da broca de perfuração e ROP da broca de perfuração na formação terrestre durante a perfuração do furo de poço. A unidade de acionamento pode ser uma entre uma unidade de força que fornece

17/17 fluido sob pressão para cada coxim e um material de alteração de formato que fornece uma força selecionada em cada coxim mediante a aplicação de um sinal de ativação para o dispositivo ou material de alteração de formato. A BHA pode incluir adicionalmente um sensor que proporciona sinais que se referem à extensão de cada coxim ou à força aplicada pelo dispositivo de acionamento em cada uma dos coxins. Em outro aspecto, a BHA pode incluir adicionalmente um controlador configurado para processar sinais a partir do sensor para controlar as extensões dos coxins. O controlador pode controlar a extensão dos coxins com base em um ou mais parâmetros, tais parâmetros podem incluir, porém, não se limitam a, flutuações da broca de perfuração (laterais e/ou de torção), peso aplicado na broca, pressão, ROP (desejada ou real), rotação, vibração, momento de flexão e adesãodeslizamento. Um controlador de superfície pode ser utilizado para proporcionar informações e instruções para o controlador na BHA.

Ainda em outro aspecto, um método para formar um furo de poço pode incluir: transportar uma broca de perfuração fixada e uma montagem de fundo do poço para dentro do furo de poço, a broca de perfuração que tem pelo menos um cortador e pelo menos um coxim em uma seção de face da broca de perfuração; perfurar o furo de poço ao girar a broca de perfuração; aplicar uma força em pelo menos um coxim para mover pelo menos um coxim a partir de uma posição retraída até uma posição estendida selecionada e reduzir a força selecionada aplicada em pelo menos um coxim para fazer com que pelo menos um coxim retraia a partir da posição estendida selecionada para controlar as flutuações da broca de perfuração durante a perfuração do furo de poço.

A descrição precedente é direcionada a determinadas modalidades específicas para facilidade de explicação. Diversas alterações e modificações em tais modalidades, entretanto, serão aparentes para aqueles versados na técnica. Pretende-se que todas tais alterações e modificações dentro do escopo e espírito das reivindicações em anexo sejam abrangidas pela descrição no presente documento.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Broca de perfuração (150), caracterizada por compreender:

um corpo de broca (212) que inclui uma seção de face (218a, 252, 320’) que inclui um ou mais cortadores (216a-216m, 318’) nesta configurados para penetrar em uma formação (119); e pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) na seção de face (218a, 252, 320’) para controlar flutuações da broca de perfuração (150); e uma unidade de acionamento (350’) configurada para aplicar uma força selecionada em pelo menos um coxim extensível (240, 270a270e, 340’, 440) para mover o pelo menos um coxim (240, 270a-270e, 440) a partir de uma posição retraída até uma posição estendida selecionada e reduzir a força selecionada aplicada para fazer com que o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) retraia a partir da posição estendida selecionada, em que o pelo menos um coxim extensível (240, 270a270e, 340’, 440) é configurado para se estender e retrair em uma direção que é substancial mente paralela a um eixo longitudinal (222) da broca de perfuração (150); e um elemento de impulsão (460) acoplado ao pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) que faz com que o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) retraia quando a força aplicada ao pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) é reduzida.
2. Broca de perfuração (150), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) compreende uma pluralidade de coxins extensíveis (270a-270e) e em que a unidade de acionamento (350’) estende cada coxim extensível (270a-270e) substancialmente na mesma extensão.
3. Broca de perfuração (150), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) é colocado em uma cavidade (242) na broca de perfuração (150).

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4. Broca de perfuração (150), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um canal de fluido (244, 344, 344’) configurado para fornecer um fluido sob pressão para fazer com que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) se estenda até a posição selecionada.
5. Broca de perfuração (150), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de acionamento (350’) inclui pelo menos um dentre: uma unidade de força que fornece fluido sob pressão para o pelo menos um coxim (340’); e um dispositivo de alteração de formato que se deforma em resposta a um sinal de excitação.
6. Broca de perfuração (150), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a unidade de acionamento (350’) é configurada para estender cada coxim na pluralidade de coxins (270a - 270e) em um extensão substancialmente igual.
7. Broca de perfuração (150), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma válvula de controle de fluxo (354’) entre o dispositivo de acionamento (350’) e o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) para controlar o fornecimento do fluido para o pelo menos um coxim extensível (240, 270a270e, 340’, 440).
8. Método de perfuração de um furo de poço (110), caracterizado por compreender:

transportar uma broca de perfuração (150) fixada a um conjunto de fundo do poço (130) para dentro do furo de poço (110), a broca de perfuração (150) tendo pelo menos um cortador (216a-216m, 318’) e um corpo de broca (212) incluindo uma seção de face (218a, 252, 320’) que inclui pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) na seção de face (218a, 252, 320’) para controlar flutuações da broca de perfuração (150);

perfurar o furo de poço (110) girando a broca de perfuração (150);

aplicar uma força em pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) para mover o pelo menos um coxim extensível (240,

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270a-270e, 340’, 440) a partir de uma posição retraída até uma posição estendida selecionada e reduzir a força selecionada aplicada no pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) para fazer com que o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) se retraia a partir da posição estendida selecionada para controlar as flutuações da broca de perfuração (150) durante a perfuração do furo de poço (110), em que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) é configurado para se estender e retrair em uma direção que é substancialmente paralela a um eixo longitudinal (222) da broca de perfuração (150); e acoplar um elemento de impulsão (460) ao pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) para fazer com que o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) se retraia quando a força aplicada é reduzida.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) compreende uma pluralidade de coxins extensíveis (270a-270e) e em que o método compreende adicionalmente estender cada coxim (270a-270e) substancialmente na mesma extensão.
10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que aplicar a força compreende usar um dispositivo de acionamento (350’) que é um dentre: uma unidade de força que fornece fluido sob pressão ao pelo menos um coxim (340’); e um dispositivo de alteração de formato que deforma em resposta a um sinal de excitação.
11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que ainda compreende controlar a força aplicada em resposta a um parâmetro selecionado que se refere à perfuração do furo de poço (110).
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o parâmetro é selecionado do grupo que consiste em: vibração, adesão-deslizamento, peso aplicado na broca, taxa de penetração da broca de perfuração (150); momento de flexão, aceleração axial; aceleração radial e flutuações da broca de perfuração (150).
13. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pe-

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Io fato de que compreende adicionalmente estender o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) quando a perfuração muda de uma formação macia para uma formação dura ou a partir de uma formação dura para uma formação macia.
14. Aparelho para uso na perfuração de um furo de poço (110), caracterizado por compreender:

uma broca de perfuração (150) fixada a uma extremidade de fundo de um conjunto de fundo do poço (130), a broca de perfuração (150) tendo uma porção lateral e uma seção de face (218a, 252, 320’) que inclui um ou mais cortadores (216a-216m, 318’) e pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) para controlar flutuações da broca de perfuração (150); e um dispositivo de acionamento (350’) configurado para aplicar uma força a pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) para estender o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) a partir da seção de face (218a, 252, 320’) até uma posição estendida selecionada e reduzir a força aplicada para fazer com que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) se retraia a partir da posição estendida selecionada, em que o pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) é configurado para se estender e retrair em uma direção que é substancialmente paralela a um eixo longitudinal (222) da broca de perfuração (150); e um coxim extensível (340) em um lado da broca de perfuração (150) para fazer com que a broca de perfuração (150) altere uma direção de perfuração durante a perfuração do furo de poço (110).
15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14 caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um controlador (190) configurado para controlar o dispositivo de acionamento (350’) para controlar a posição estendida selecionada a fim de controlar as flutuações na broca de perfuração (150) durante a perfuração de um furo de poço.
16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o controlador (190) é adicionalmente configurado para con

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5/5 trolar o dispositivo de acionamento (350’) em resposta a um parâmetro que é selecionado a partir de um grupo que consiste em: vibração, adesãodeslizamento, peso aplicado na broca, taxa de penetração da broca de perfuração; momento de flexão, aceleração axial; aceleração radial; e flutuações da broca de perfuração.
17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de acionamento (350’) é um dentre: uma unidade de força que fornece fluido sob pressão para fazer com que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) se estenda; e um dispositivo de alteração de formato que deforma mediante a aplicação de um sinal de ativação.
18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um sensor que proporciona sinais que se referem à força aplicada pelo dispositivo de acionamento (350’) ao pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440).
19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos um coxim extensível (240, 270a-270e, 340’, 440) compreende uma pluralidade de coxins (270a-270e) e em que o dispositivo de acionamento (350’) aplica substancialmente a mesma força a cada um dos coxins na pluralidade de coxins (270a-270e).