BRPI0915074B1

BRPI0915074B1 - equipamento de controle de alargamento e método de operação e controle de perfuração em tempo real

Info

Publication number: BRPI0915074B1
Application number: BRPI0915074-9A
Authority: BR
Inventors: Wajid Rasheed
Original assignee: Wajid Rasheed
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2009-06-27
Publication date: 2020-10-20
Also published as: US20110247878A1; GB2465505A; US20110278064A1; US20130306375A1; US8511404B2; US20140158430A1; EP2746527A3; EP2327857A1; WO2009156552A1; GB2465505C; GB2465505B; US9447676B2; CN102137981A; US20120037422A1; US8528668B2; US8235144B2; EP2327857A4; US20140060933A1; GB2460096B; EP2746527B1

Abstract

Ferramenta ou equipamento de expansão e medição e método de operação e controle de perfuração em tempo reai A ferramenta denominada Smart Reamer é utilizada para realizar o alargamento em tempo real de um poço, especialmente de petróleo ou gás natural, enquanto simultaneamente se tomam mediante sondas de medida acopladas a essa ferramenta, dados de geometria e de perfuração (diâmetro do poço, diâmetro da zona alargada, posição relativa dos blocos cortadores alargadores e estabilizadores) e dados das propriedades do fluido de perfuração com o objetivo de controlar a operação de alargamento requerida pelo poço sem parar a perfuração nem retirar a coluna de perfuração.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de uma ferramenta de perfuração com blocos cortadores e estabilizadores cuja expansão se integra com as medidas obtidas por uma sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço, que pode ser uma sonda acústica ou uma sonda de calibre; sondas de vibração e acústicas independentes das anteriores, que determinam as características do fluído da perfuração e sensores da posição dos blocos. A ferramenta é capaz de alargar e medir os diâmetros dos poços simultaneamente, assim como expandir o diâmetro do tubo de aço empregado como revestimento, especialmente de petróleo e gás. A ferramenta tem como finalidade específica o alargamento e a calibração do poço, se pode configurar sem elementos cortadores para seu uso como instrumento centralizador, como estabilizador direcional ou como um meio de expandir o diâmetro dos tubos de aço.

[002] Entende-se que o termo expansão, como se emprega aqui, se refere à capacidade da ferramenta para se expandir para fora e contra uma parede interior, como a de um poço, especialmente um poço de petróleo, ou um tubo empregado como revestimento; para a continuação, aplicar pressão ou uma ação cortante contra a parede. Nem sempre é essencial que a parede se expanda. A ferramenta pode empregar-se só a efeitos de centralização, estabilização e outros usos similares.

[003] Quando se constrói um poço de exploração ou produção, existem numerosas operações subterrâneas. Estas operações se realizam para perfurar e medir o poço e que se cumpra com as especificações dimensionais indicadas no plano de projeto do poço. A perfuração pode assegurar que o diâmetro perfurado pela broca está dentro da tolerância prevista pelo projeto. Os diâmetros perfurados pela broca e aperfeiçoados pelo alargador são essencialmente os mesmos. O diâmetro máximo do cortador do alargador, cujo diâmetro é fixo, é essencialmente o mesmo que o diâmetro da broca. Este diâmetro máximo cortante está definido pelo diâmetro de passagem que tem em conta qualquer restrição que haja no poço águas acima do lugar de operação.

[004] Um alargador é diferente de um perfurador, o alargador é utilizado para aumentar o diâmetro do poço por cima do tamanho original perfurado inicialmente. Muitas vezes o alargamento está realizado sob uma restrição no poço, e o diâmetro cortante de um alargador é sempre maior que o diâmetro de restrição. Além disso, um alargador tem meios de ativação e desativação, e mecanismos para estender e retrair os elementos cortantes para assegurar a eficácia do alargamento, uma vez que há passado sob a restrição.

[005] A medição pode incluir a aquisição e comunicação a superfície de vários parâmetros de informação do poço, tal como resistência, porosidade, permeabilidade, azimute, inclinação, diâmetro do poço, rugosidade e modificações do ângulo do mergulho das formações.

[006] A medição pode realizar-se de dois modos, por cabo ou durante a perfuração. A medição por cabo é a técnica mais comum e se realiza como uma atividade separada e consecutiva a perfuração, introduzindo ferramentas de medição através de um cabo. Os medidores através de um cabo utilizam um número de prolongações a modo de dedos para efetuar medições do diâmetro do poço, contudo somente podem medir em uma direção axial. Devido a essa limitação, tais medidores só podem ser utilizados depois da perfuração, já que no caso contrário se romperiam por causa das forças rotativas e de impacto derivadas da perfuração. Por tanto, se refere uma etapa posterior de calibração, separada da etapa de perfuração, para medir o diâmetro do poço.

[007] As ferramentas de medição durante a perfuração podem proporcionar vários dados sobre o poço. Ê possível incorporar medidores acústicos no interior das ferramentas de medição durante a perfuração.

[008] Como os primeiros são suscetíveis de rotação, podem-se empregar durante a perfuração para obter medições. Sem embargo, quase todas as ferramentas de medição durante a perfuração, estão configuradas como sistemas completos e somente estão disponíveis a custos muito altos, utilizando-se menos de 1% dos poços em todo o mundo. Além disso, tem limitações nos casos de perfurações a rotação deslizante, onde um motor subterrâneo imprime rotação à broca e arrasta a coluna de perfuração e a montagem de fundo (bottom-hole assembly - bha). Nas aplicações com rotação direcional, as ferramentas de ferramentas de medição, durante a perfuração se encontram a cerca da broca. Por tanto, a posição do medidor acústico se encontra dentro do BHA, debaixo o alargador. Desta maneira, só pode facilitar leituras depois de alargar a seção do poço.

[009] As medições do poço nem sempre se efetuam com medidores acústicos. Por tanto é frequente realizar as medições do poço separadamente trás a perfuração e o alargamento.

[0010] O lapso de tempo transcorrido entre as operações de alargamento e medição traz incertezas e custos desnecessários. Quando se leva a cabo um alargamento, as medições se tomam a posteriores, o qual se faz necessária uma etapa de utilização de um medidor a cabo, e às vezes mais etapas de funcionamento corretivo para conseguir o diâmetro desejado do poço.

Antecedentes da Invenção

[0011] As acumulações de petróleo e gás se encontram no subsolo em diferentes faces geológicas distribuídas pelo mundo. A exploração e produção dessas acumulações dependem da construção de um poço de acordo com um projeto.

[0012] Existem vários tipos de poços, que se definem conforme o seu uso, tal como poços de investigação básica, outros que se utilizam na exploração, delineação, produção e injeção.

[0013] Existem variantes no perfil dos poços segundo a trajetória vertical, inclinada, direcional e horizontal. Cada poço é diferente dependendo dos objetivos da empresa petrolífera e dos desafios que um determinado estrato subterrâneo apresenta na hora de alcançar o leito com o reservatório de hidrocarbonetos existentes a uma determinada profundidade desde a superfície da terra ou dos oceanos.

[0014] Os desafios da engenharia são marcados, pela localização do poço: cerca da costa, dentro do mar, nas profundidades marítimas, pela pressão, tensão, os gradientes de temperatura, e os movimentos das formações. E pelos tipos de reservatórios, tais são carbonetos ou arenitos. Para superar tais desafios, elabora-se um projeto de poço extremamente detalhado que inclui objetivo e coordenação, dados e cálculos geológicos e técnicos de engenharia, assim como a consideração de aspectos legais.

[0015] Os dados se empregam para desenhar o perfil do poço e planificar sua execução utilizando precisas coordenadas de seções telescópicas consecutivas: superficiais, intermediárias e de reserva. Com a finalidade de conseguir o objetivo para o qual se desenha o poço. Perfuram-se várias partes desde a superfície e diâmetros para manter a integridade e operacionalidade do poço ao longo de sua vida útil. Embora existam muitas variantes ao desenho de um poço simples vertical poderia ter as seguintes dimensões: diâmetro de superfície de 17 Vo.” (445 mm), seções intermediárias de 13 5/8”(360 mm), e 9 5/8” (245 mm) decrescendo até um diâmetro de fundo na zona do reservatório de 8 Va ‘(216 mm).

[0016] Cada parte consecutiva está revestida mediante um determinado número de tubos metálicos colocados dentro do poço com um diâmetro específico conforme a longitude da parte.

[0017] Tais tubos se conectam entre si e depois se cimentam interiormente à parede exterior do poço. Desta maneira um poço se constrói em partes consecutivas, a existência de cada uma das quais depende de que se haja completado a anterior, até que o poço isolado em questão seja formado ao longo da sua longitude total desde a superfície até o reservatório.

[0018] A escassez do petróleo e gás está forçando as empresas petrolíferas a explorar e desenvolver reservas localizadas em leitos que apresentam um desafio maior, tais como aqueles que se encontram a mais de 1800 m (6000 ft) de profundidade sob enormes camadas de sal. Estes poços têm trajetórias direcionais muito complexas com esquemas de revestimentos que incluem seis ou mais partes. Conhecidos num estágio de técnica como poço designer de revestimento com escassa margem de tolerância, estes poços têm diâmetros de revestimento e margens de tolerância estreitas e se faz a necessidade de alargar o poço para evitar a existência de partes muito estreitas do reservatório e taxas de baixa produção.

[0019] Por tanto, as ligações de fundo necessárias para perfurar estes poços levam, de forma rotineira, alguns dispositivos para alargar o poço por debaixo de um determinado diâmetro de revestimento ou outra restrição. Assim, o alargamento se faz convertido em parte integral do processo de construção do poço, e o alargamento depende cada vez mais de que se possam conseguir os diâmetros do poço previstos. Depois do alargamento, o alargador é retirado do poço e se substitui pelo medidor, que se emprega para calibrar as dimensões internas do poço utilizando meios mecânicos, como dedos extensíveis que se contatam a parede do poço, acústicos ou outras técnicas que se empregam sinalizações acústicas de reflexões baseadas nos ecos de som.

[0020] Anteriormente o alargador e o medidor se consideravam ferramentas separadas, com funções distintas. Na maioria dos casos, uma etapa de alargamento típica podia levar 24 horas, transcorridas, a preparação da fase de funcionamento do medidor levava mais 24 horas. Requeriam-se outras 24 horas de preparação do medidor antes de poder obter dados sobre os diâmetros reais do poço. Por tanto, essa diferença entre as operações de alargamento e medição poderiam facilmente exceder 48 horas dependendo da profundidade do que se trataria. Se o diâmetro verdadeiro do poço não coincidisse com o previsto, não se conseguiriam as tolerâncias do revestimento, e seria necessário então uma etapa de correção, tendo que se repetir o ciclo inteiro de alargamento e medição.

[0021] Em outras aplicações tal como a expansão do diâmetro de tubos metálicos e o aumento da cimentação, as tolerâncias do poço alargado e do tubo de aço expandido estão muito próximas. Variações de 1”(25 mm) poderiam fracassar a construção do poço.

[0022] A especificação da patente W02006/083738 faz referência a um medidor mecânico e a um procedimento de medição genérica durante a perfuração com aparelho dito.

[0023] A patente mostra certas configurações genéricas de medidores mecânicos durante a perfuração como uma melhora frente às medições efetuadas após a perfuração ou as medições por cabo.

[0024] Para os experientes neste campo está claro que os trabalhos de alargamento não estão ligados somente a perfuração, mas sim também a numerosas atividades de produção e finalização.

[0025] A patente W02006/083738 não resolve o problema de como administrar a ferramenta integrada que faça o diagnóstico automaticamente, não trata o tema da integração ou automatização de uma sonda de calibre e um alargador, nem tampouco mostra nenhum tipo de ferramenta de alargamento.

[0026] A ferramenta de corte se descreve como um dispositivo exclusivamente “cortante” ou “dispositivo perfurador”, o que para os experientes neste âmbito significa perfuração e conservação do diâmetro do poço respectivamente. Os dois procedimentos são distintos ao de alargamento que significa aumentar o diâmetro do poço submetido a uma restrição.

[0027] Além disso, os desenhos atuais das sondas de medida durante a perfuração se baseiam nas sondas de calibre, que se encontram no atual estágio da técnica cujos desenhos estão baseados em mecanismos de pivô ou mecânicos suscetíveis de sofrer fratura ou mau funcionamento, devido a terem importantes momentos de flexão ou pelo que sofrem por solidificação do fluído de perfuração entre as distintas partes movíveis que causam uma falha na ferramenta ou faz com que não se possa retirar a montagem do fundo.

[0028] A patente JP7062967 não tem aplicação a poços profundos de petróleo ou gás e tampouco é capaz de diagnosticar automaticamente diâmetros por debaixo da tolerância do poço ou detectar a falha do alargador. Por tanto, não serve como uma maneira confiável e veraz de medir o diâmetro do poço.

[0029] A especificação de patente US2000/6419033 se refere a um aparelho e um procedimento de perfuração de um poço em virtude da qual uma broca perfura o poço piloto e um alargador de rastreio o amplia até o diâmetro requerido. Utilizam-se uma ou mais seções de direção entre o alargador e a broca de perfuração para manter e alterar a direção da perfuração. A patente descreve configurações genéricas de perfuração direcional nas que se aplica uma pluralidade de forças ajustáveis dentro de uma camisa não rotatória e dos meios correspondentes de controle. Nesta invenção não se aborda o controle nem a medição de alargamento e dos diâmetros do poço.

[0030] Para os experientes neste setor de técnica, e como pode inferir do processo de construção do poço, a patente US2000/6419033 se centra na perfuração direcional e no modo de controlar a força aplicada ao poço, não tratando os mesmos problemas que a presente invenção, que integra e automatiza a sonda de calibre.

[0031] Aliás, se descreve uma articulação específica no fundo do vácuo para uma pluralidade de forças aplicadas nas partes da perfuração direcional e no alargamento. Isto exclui outros sistemas de perfuração direcional que giram ou que não utilizam forças independentes aplicadas ao poço.

[0032] No entanto, US2000/6419033 se centra na aplicação específica de perfuração com tubos denominados “linef’, não sendo este um aspecto de aplicação da presente invenção, a qual se sugere fundamentalmente para eliminar a incerteza vinculada com o atual estágio da técnica em todas as aplicações de alargamento.

[0033] A especificação do estágio da técnica da patente WO94/21889 relativa a poços geotérmicos considera a configuração de um alargador, um estabilizador e uma sonda de calibre, num corpo principal e vários segmentos. A sonda de calibre é usada para empurrar o dispositivo até adiante e não para medir o calibre do poço.

[0034] Qualquer experiente nesta matéria pode perceber que a patente WO94/21889 se refere a uma sonda de calibre com um potencial maior para “empurrar”, para criar uma força bidirecional e medidora para tomar as dimensões do buraco do poço e outras medidas integradas no próprio alargador.

[0035] Nos aspectos derivados de uma ferramenta de alargamento integrada com uma sonda de calibre capaz de verificar o funcionamento e eliminar incertezas, a presente invenção se diferencia do atual estágio da técnica de alargadores como os indicados nas patentes CA2617699 e GB2417267. Ê pouco apropriado e insuficiente depender das posições dos cortadores ou de provas de perfuração ou hidráulicas como indicadores de que o alargamento planejado do buraco é o que se está obtendo. Não se dispõe de medições reais e verdadeiras nem diretas e indiretas. Aliás, depende de restrições da pressão para sua ativação tais como o uso de um dardo que origine um diferencial de pressão. O invento atual não requer tal meio de ativação e pode ser ativado por meios não mecânicos através de telemetria por pulsos de pressão ou transmissão sem cabos.

[0036] Não é adequado depender de indicadores indiretos, tais como a posição aberta ou cerrada dos cortadores, ou como que se estão abertas as vias de fluxo de perfuração, se observa uma subida de pressão na sonda.

[0037] Tais indicadores não proporcionam medições diretas verdadeiras do diâmetro do poço alargado, nem ministram informações com a verificação de um complemento de alargamento, eles somente proporcionam dados do estado mecânico ou hidráulicos dos aspectos da ferramenta que podem, ou não, concluir o diâmetro do poço desejado.

[0038] Segundo o atual estágio da técnica, a indústria de perfuração depende de indicadores mais laboriosos e menos rudimentares de verificação tais como um aumento do número de perfuração quando os cortadores contatam a formação ou incluem a retirada da coluna de perfuração e o alargador até o poço de diâmetro anterior e ver se o motor superior de acionamento da perfuradora (top- drive) se bloqueia quando a coluna de perfuração do fundo se introduz com a ferramenta expandida.

[0039] Por tanto, o estágio atual da técnica indica que não existem sistemas que permitam de forma fiável e simultânea verificar o diâmetro do poço enquanto se perfura ou alarga.

[0040] Aliás, o estágio da técnica reflete que os atuais sistemas dispõem de ciclos laboriosos de entrada e saída ao poço dos dispositivos de perfuração, alargamento e medição.

[0041] Então, o estágio da técnica reflete que os atuais sistemas não detectam variações no diâmetro do poço em tempo real. E também que os atuais sistemas não detectam automaticamente poços de diâmetros por debaixo da tolerância ou tem uma falha da ferramenta. Os atuais sistemas têm uma limitada aplicação de uma sonda de calibre fora do bloco cortante. E dependem de restrições na pressão para sua ativação.

Descrição da Invenção

[0042] O invento atual tem como principal objetivo obter uma melhora do estado atual da técnica de alargamento de poços onde o diâmetro verdadeiro do poço alargado é medido diretamente em tempo real simultaneamente ou imediatamente depois de uma operação de expansão do poço.

[0043] O invento se baseia em uma ferramenta integrada alargadora e dotada de uma ou várias sondas de medida do diâmetro de alargamento do poço e de medidas das características do fluído perfurador que proporciona verificação em tempo real e a resolução de problemas automaticamente. Isto não tem sido possível no estágio da técnica anterior devido às limitações do desenho inerentes aos métodos de ativação por hidráulica ou contrapeso e aos mecanismos de retenção dos blocos e dos desenhos mecânicos da sonda de calibre.

[0044] O invento tem o propósito de integrar e automatizar as atividades de alargamento e eliminar a necessidade de uma sonda de calibre separada do alargador, e minimiza as necessidades de operações corretivas de alargamento por que administra dados em tempo real que permitem uma resposta mais rápida do perfurador, economizando assim tempo e dinheiro nas operações de execução de poços.

[0045] Um objetivo da invenção é proporcionar blocos alargadores integrados a sondas de medida do diâmetro do alargamento do poço, permitindo à ferramenta dar medições imediatas da precisão e operação de alargamento, e sem se obter um valor insuficiente do diâmetro detectá-lo imediatamente e diagnosticar as falhas potenciais para repetir a operação até alcançar um resultado satisfatório.

[0046] Por ser o alargador o meio principal para aumentar o diâmetro dos poços, pode-se aplicar a invenção a outros meios de alargamento integrados com medições de sistemas que usem brocas bicentricas, brocas de passo fixo, alargadores excêntricos e brocas extensíveis.

[0047] A ferramenta é capaz de fazer alargar o diâmetro do poço, tomando a sonda de medida, preferivelmente acústica; e dados do diâmetro de alargamento do poço, através da emissão e recepção de pulsos acústicos ultrassónicos os quais permitem verificar a operação através de um processador que recebe os dados e diagnostica os diâmetros de acordo com um circuito lógico que assegura a função de alargamento através da expansão correta dos blocos cortadores e estabilizadores. Se as etapas corretoras da operação têm sido realizadas, e a sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço indica que o diâmetro do poço planejado ainda não foi conseguido, se enviará um sinal a central de controle situada na superfície exterior para que seja recebida pelo engenheiro de operação para que tome as medidas que resolvam a situação, entre as que se encontram para substituir a ferramenta. A tarjeta de memória da ferramenta pode baixar os dados ao dispositivo de controle da perfuração localizado no exterior quando se recupera a ferramenta no tempo real da operação mediante telemetria.

[0048] A ferramenta dota-se de um sistema de telemetria empregando, como meio de transmissão, e lama de perfuração para permitir a monitoração da posição dos blocos de expansão com os dados registrados da sonda de medida do diâmetro do poço, que pode ser uma sonda mecânica de calibre ou uma sonda acústica dotada de emissores e receptores acústicos ultrassónicos durante a emissão das ondas de som que possam ser refletidas pela parede do poço ou da formação subterrânea que pode ser uma caverna, para que sejam recebidas por um sensor instalado na mesma ferramenta.

[0049] O tempo empregado no recorrido pelas ondas de som a uma velocidade dada será processado e integrado no sistema de controle para determinar a longitude recorrida.

[0050] No corpo da ferramenta se pode dispor de um canal longitudinal denominado ‘keyway’ canal chave para facilitar a disposição dos sensores acústicos que se conectarão ao transponde e processador situado no interior do corpo da ferramenta. Os dados obtidos pelos sensores acústicos, constituídos por sensores e receptores unidos mediante a um cabo rígido, se enviarão desde o processador ao transponde e se integrarão ao restante dos dados recebidos pelo sistema de controle situado na superfície exterior. O canal chave pode ser fechado e ser reabastecido por um meio absorvedor de vibrações como gel de silicone ou graxa para manter os cabos em sua posição adequada.

[0051] O transponder converte os dados para que possam ser emitidos ao exterior mediante o dispositivo de pulsos de lama, o qual usa códigos binários a uma frequência determinada empregando como meio de transmissão o fluído de perfuração. Podem-se empregar outros meios de comunicação sem fio através de ondas de rádio ou pulsos eletromagnéticos. Isto permite a conexão e desconexão da ferramenta ao receber ordens e transmitir dados e comandos. Os dados podem ser transmitidos a superfície para uso pelo operador de perfuração ou podem ser transmitidos via satélite a um centro de operação remoto.

[0052] A invenção se refere, preferencialmente, a uma ferramenta de alargamento de poços (50), que está especialmente aplicada a perfuração de petróleo e gás natural, e disposta a acoplar-se a uma broca de rotação com sua coluna de perfuração associada, e está caracterizada por fornecer pelo menos um bloco cortador radial (62), dotado de um sensor de medição da posição relativa desse bloco cortador, pelo menos uma sonda de medida (76 ou 66,64) para determinar o diâmetro do poço, e pelo menos um bloco cortador de expansão radial (63), todos eles com seus receptores, microprocessadores e transpondes, integrados no interior do corpo da ferramenta; um sistema de verificação e controle do diâmetro desejado do poço (22) mediante comparação e correlação das medições simultâneas da sonda de medida e da posição relativa do bloco de expansão cortador (62); e pelo menos um dispositivo emissor-sensor (210,160) de análises da características do fluído com seus receptores, microprocessadores e transpondes, integrados no interior do corpo da ferramenta.

[0053] O suporte da ferramenta prevê-se que a coluna de perfuração também pode ser outros métodos de perfuração com conexões (Coiled Tubing}.

[0054] O corpo da ferramenta é um cilindro encamisado num aço de alta qualidade de dureza adaptado para formar parte da coluna de perfuração mediante a uma conexão disposta no final da ferramenta a qual se acopla a broca.

[0055] A conexão em si, pode ser direta ou indireta, conforme a necessidade dos distintos elementos de cada coluna de perfuração ou BHA e cada poço. A parte inferior da coluna de perfuração pode ser uma broca perfuradora ou um estabilizador, entre esta peça e a ferramenta, é possível que haja um sistema de controle direcional do poço (rotary steerable).

[0056] A atividade de expansão do poço e de alargamento se consegue através da ferramenta por meio de um bloco cortador ou blocos cortadores. Os blocos estão situados numa câmara aberta alojada dentro do corpo da ferramenta e cuja superfície exterior está constituída por uma variedade de elementos cortadores de alta dureza tais como poli cristais de diamantes dispostos externamente. O bloco cortador está disposto de um bocal externo situado adjacente ao longo destes elementos cortadores que injetarão o fluído de perfuração que provém de um canal interno (90) conectado à fonte portadora desse fluído.

[0057] A ferramenta dispõe de um módulo com possibilidade de acoplar mediante rosca ao corpo da ferramenta composto por blocos de expansão estabilizadores cuja função é segurar a ferramenta nas paredes do poço durante operações de alargamento e medições e inclusive nos casos que requer ampliar ou expandir o diâmetro do tubo metálico de cobertura do poço.

[0058] Deve indicar-se que a descrição dos blocos de expansão é genérica e que a função pode ser indistinta de corte, expansão ou estabilização da coluna de perfuração. Assim, os blocos cortadores estão dotados com enxertos ou dentes cortantes para possibilitar o alargamento do poço que podem ser retirados e substituídos por outras superfícies ou operações exclusivamente de expansão do tubo de aço interior do poço.

[0059] Os meios de controle à base de microprocessadores (68) estão preparados para que, durante as operações de perfuração, recebam dados simultaneamente desde a sonda de medida do diâmetro do poço e desde os sensores do bloco cortador de expansão para controlar a extensão e retração desse bloco como resposta à lógica de controle segundo os dados recebidos, de forma que se detecte e corrija falhas em tempo real para possibilitar a obtenção do diâmetro desejado do poço.

[0060] A ferramenta se dotará de vários blocos cortadores de forma simétrica ao longo da mesma. Dois blocos cortadores estariam em lados opostos da ferramenta, três blocos estariam separados por cento e vinte graus, quatro blocos se separariam noventa graus, e seis por sessenta graus. Quando usada a ferramenta de forma habitual, esta rodará solidariamente unida a coluna de perfuração e também se moverá axialmente ao longo do poço.

[0061] O corpo da ferramenta está dotado com um canal interno que recebe alimentação do fluído de perfuração através de um bocal adjunto ao dispositivo de cortadores. Em cada caso, os bocais proporcionam um fluxo de fluído que ajuda a conservar os cortadores limpos e preveni-los de geleias ocasionadas pelos lixos da operação de alargamento e dotam das funções de refrigeração e lubrificação requeridas pelos cortadores. Como aspecto preferencial e relevante da invenção, a ferramenta dispõe de um meio de medição não mecânico como uma sonda acústica de medida do diâmetro de alargamento do poço.

[0062] As sondas de medidas do diâmetro de alargamento do poço com as que se equipa a ferramenta alargadora, emitem pulsos de som que geram reflexões nas paredes que são transmitidas a um sensor receptor por meio da qual se calcula a distância multiplicando o tempo pela velocidade de propagação do pulso acústico. As sondas de medida do diâmetro de alargamento do poço geralmente serão colocadas dentro do corpo da ferramenta mar acima do alargador, em uma possível variante da ferramenta, poderíam chegar a colocar-se dentro do mesmo bloco cortador em uma posição entre os elementos cortantes na zona com maior extensão radial.

[0063] O operador experiente pode considerar rapidamente outros procedimentos que se podem executar nos processadores da ferramenta por meio do circuito lógico ou programa de controle, na qual pode ser programado para cobrir outros cenários possíveis.

Breve Descrição das Figuras

[0064] Os distintos elementos da invenção se ilustram, mas não se limitam aos indicados nas seguintes Figuras:

[0065] A Figura 1 é uma vista geral esquemática de um poço de petróleo ou gás na qual se mostra as estruturas dispostas no exterior e no interior do poço subterrâneo, com uma ferramenta acorde com a invenção que se montaria na parte final da invenção da coluna de perfuração.

[0066] A Figura 2 é um corte longitudinal da ferramenta na qual se mostram os elementos de expansão, constituídos por blocos tanto cortadores quanto estabilizadores, em estado desativado.

[0067] A Figura 3 é uma seção transversal do corpo da ferramenta vista desde a cabeça perfuradora, onde aparecem os diâmetros da mesma, do tubo encamisado e do alargamento desejado do poço, segundo a invenção mostrada nas Figuras prévias com o modo operativo dos blocos de expansão cortadores expandidos (modo de operação ativado).

[0068] A Figura 4 é uma seção transversal do corpo da ferramenta vista desde a cabeça perfuradora onde aparecem os diâmetros da mesma, do tubo encamisado e do alargamento desejado do poço, segundo a invenção mostrada nas Figuras prévias com o modo operativo dos blocos cortadores coletados (modo de operação desativado).

[0069] A Figura 5 é uma seção transversal do corpo da ferramenta onde se mostram os canais longitudinais abertos para permitir o passo livre do fluído de perfuração e onde se localizam o dispositivo emissor- sensor que podem determinar algumas características desse fluído (densidade).

[0070] A Figura 6 é uma vista geral do poço ilustrando a telemetria dos dados de alargamento e perfuração registrados pela ferramenta.

[0071] A Figura 7 complementa a Figura 6 ilustrando o sentido de emissão dos dados com os parâmetros de lema enviados para o controle de alargamento e perfuração por parte da ferramenta.

[0072] A Figura 8 é um algoritmo a modo de exemplo com o procedimento de diagnóstico e resolução de aspectos operacionais do alargamento e medidas das variáveis da perfuração segundo a invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0073] Como se mostra na Figura 1, uma sonda de exploração ou produção está composta de uma estrutura de superfície na cabeceira do poço, um poço, uma coluna de perfuração dentro do poço e uma montagem de fundo em sua parte inferior onde se poderia montar a ferramenta objeto da presente invenção com a configuração de módulos desejada: módulos de blocos de expansão cortadores, módulos de sensores e processadores e módulos de expansão estabilizadores ou ampliadores do tubo metálico do poço. A ferramenta é constituída pelo menos por um módulo alargador integrado a um módulo com a sonda de medida do diâmetro do poço dotada de outros sensores, que montariam a uma broca perfuradora (não mostrada).

[0074] A seção longitudinal da ferramenta indicada na Figura 2 consiste em um corpo de ferramenta de aço (52) dotado de um canal interno de perfuração (90 Downhole) e um dispositivo de pulsos de lama (mud-pulser) (56) situado fluxo acima, o qual está adaptado a sua vez, para poder ser conectado a outro tubo de perfuração (não mostrado) para conectar ao resto de elementos de montagem de fundo, e a coluna de perfuração.

[0075] O corpo da ferramenta também está dotado de elementos de expansão cortadores (60) e estabilizadores (61), uma sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço acima dos blocos cortadores. O elemento de expansão cortador (60) está composto de vários blocos cortadores (62) dispostos simetricamente e radialmente ao corpo da ferramenta; mostrados na Figura 2 no modo desativado, isto é, com os blocos recolhidos dentro da ferramenta.

[0076] A ferramenta incorpora uma sonda acústica constituída por um emissor e receptor acústico que pode estar localizado no interior do corpo da ferramenta em buracos encapsulados (64 e 66).

[0077] O funcionamento da ferramenta se verifica mediante um processador (68), que compara os dados registrados pelo sensor receptor acústico (66) com o diâmetro programado do poço, detectando assim os possíveis desvios ao diâmetro do poço desejado.

[0078] A ferramenta está automatizada de acordo com umas sequências lógicas de controle programadas em cada processador (68) para assegurar que o funcionamento está correto. Uma vez que os passos de comprovação ou correção têm sido tomados, e se a sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço (76) indica que o diâmetro do poço não se está alcançando, se mandaria um sinal através dos dispositivos de pulsos de lama (56) até o exterior na cabeceira da perfuração (10) para possibilitar a execução de comandos de controle pelo operador em modo local ou mediante controle remoto, adotando-se as medidas operativas e corretivas pertinentes, como poderia ser a modificação do caudal da bomba de lama ou fluído de perfuração, a substituição da coluna de perfuração, ou BHA, etc. A tarjeta de memória associada ao processador (68) conterá os dados dos sensores transmitidos em tempo real para serem utilizados no momento de operação de alargamento e perfuração (56) ou obter-se fisicamente recuperando dessa tarjeta quando a ferramenta sair do poço.

[0079] A ferramenta está dotada com uma conexão ao sistema de telemetria (56) que também serve para monitorizar o funcionamento da operação de alargamento, posição dos blocos de expansão (62) e dados registrados pela sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço. Dentro do corpo da ferramenta (52) se pode dispor de um ou mais emissores acústicos (64) para permitir a emissão de ondas acústicas durante um tempo definido que se refletirá na parede do poço (22) e se registrarão de volta pelos sensores receptores (66).

[0080] O processador (68) calculará a distância utilizando o tempo do viajem e a velocidade das ondas acústicas e comparará este dado com o valor do diâmetro programado que se deseja. Sem as duas medições coincidem dentro das tolerâncias definidas pelo usuário, a operação da ferramenta poderia continuar até alcançar a profundidade total da seção do poço a alargar. Quando as medições não coincidem, o processador ativa automaticamente uma sequência de passos lógicos para o diagnóstico da operação.

[0081] Como se mostra na Figura 2, se dispõe de um canal para o ‘cabeado’ (74) dos pulsadores ou emissores acústicos (64) e sensores ou receptores acústicos (66) ao processador (68), e também ao transponder (72). Os cabos se utilizam para transmitir dados acústicos obtidos por reflexão assim como dados de posição dos blocos cortadores e estabilizadores a os processadores e transponderes. O canal pode selar- se e preencher-se com um meio como gel de silicone que permita absorver vibrações.

[0082] O transponde converte dados do processador (68) para que se possam ser transmitidos ao exterior (10) através do dispositivo de pulsos de lama (56) o qual transmite os dados a superfície exterior usando uma série de códigos binários a uma frequência dada, empregando como meio de transmissão à própria lama de perfuração. Podem-se usar outros meios de transmissão sem fio de dados como sistemas através de rádio frequência ou pulsos eletromagnéticos.

[0083] A Figura 2 mostra uma possibilidade de localização da sonda de medida do diâmetro de alargamento, que pode ser uma sonda de calibre (76) disposta em um buraco encapsulado conectado ao canal do cabeado (74) de conexão ao processador, que também pode se unir com as sondas (emissor-receptor) acústicas (66-64) e a um novo canal de conexão (78) conectado a outro processador alternativo (68) que controla um motor (80) de ativação do bloco de expansão (62). Também se indica na Figura 2, a disposição de um canal interno ou canal axial (90) dentro da ferramenta para transportar o fluxo de lama através da montagem (40). O buraco encapsulado de onde pode alojar-se uma sonda de calibre (76), também pode ser utilizado por outros tipos de sensores, por exemplo, que monitorem vibrações para detectar condições de perfuração que originem atasco ou deslizamento.

[0084] A ferramenta pode configurar-se em três módulos unidos entre si mediante conexões entrelaçadas (65) e (82). O corpo de todas as partes da ferramenta (52) é cilíndrico e fabricado com aço de alta qualidade para que possa montar-se à coluna de perfuração ou a broca ou outra ferramenta do fundo (40) através de roscas internas permitindo manter o canal interno de perfuração (90). A conexão em si pode ser direta ou indireta conforme a necessidade dos distintos elementos de cada montagem e cada poço. A parte inferior da montagem pode ser uma broca perfuradora ou um estabilizador, e entre essa parte e a ferramenta, é possível que haja um sistema de controle direcional do poço. A ferramenta pode configurar-se com vários módulos conforme as necessidades de operação, p.e. com dois módulos igualmente a Figura 2 com os blocos de expansão trocado por blocos cortantes (62).

[0085] Os blocos de expansão estabilizadores (63) são fabricados iguais aos blocos cortadores (62), salvo que ao invés de ter elementos cortantes, dispõem de uma superfície de elevada dureza e resistência à abrasão.

[0086] As superfícies de elevada dureza dos blocos de expansão estabilizadores atuam para estabilizar a coluna de perfuração dentro do poço, e elimina alguns dos problemas associados com a perda de controle direcional mar acima do alargador nos casos em que essa zona do diâmetro seja menor do que a do alargador.

[0087] De igual forma, pode-se usar para expandir ou ampliar o diâmetro dos tubos metálicos mediante deformação dos mesmos em buracos de perfuração. Neste caso, o corpo da ferramenta possibilitaria a operação de expansão ou ampliação do diâmetro do tubo da perfuração e se acoplaria a coluna da cabeça perfuradora mediante uma rosca existente no interior desse corpo.

[0088] O módulo estabilizador pode ser conectado diretamente ou indiretamente ao alargador e dotado com cabos que facilitem a transmissão de dados do processador (68) ao transponde (72) através do dispositivo de pulsos de lama (56) até o exterior.

[0089] Na Figura 3 se ilustra uma vista frontal da perfuradora desde o fundo, com os elementos de expansão cortadores (60) dispostos em modo ativado, isto é, os blocos cortadores (62) estendidos fora do corpo da ferramenta e apoiados contra a parede do poço alargado (22) partindo do poço sem alargar (20). Aprecia-se a disposição dos dentes da cabeça perfuradora na qual são considerados dez filas curvadas de cortadores (44) com seus dentes de corte em cada uma.

[0090] Indica-se também um orifício central (46) por onde sai o fluído de perfuração que flui através do canal interior (90) do corpo da ferramenta (52). Mostra-se o sentido de giro (124) da cabeça perfuradora na qual são considerados dez fileiras curvadas de cortadores (44) com seus dentes de corte em cada uma.

[0091] Na Figura 4 mostra-se a mesma vista frontal da Figura 3 com os elementos de expansão cortadores (60) dispostos em modo desativado, isto é, os blocos cortadores (62) recolhidos dentro dos compartimentos interiores do corpo da ferramenta sem sobressair do diâmetro do poço sem alargar (20).

[0092] Cada bloco está dotado com linhas ou bandas magnéticas que permitem a um sensor a detecção da posição efetiva dos blocos. O sinal magnético será tão mais forte quanto o bloco se encontre tão mais estendido, e a linha magnética e o sensor estejam alinhados. Desta forma se pode determinar realmente se o bloco se faz estendido determinando dessa longitude de extensão e por tanto sua posição.

[0093] Os dados da sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço, uma vez compensados se poderiam utilizar para verificar que o diâmetro desejado está, efetivamente, sendo conseguido segundo o dado da posição do bloco de expansão. Quando o processador detecta uma diferença entre estes dados medidos, o programa lógico de controle busca automaticamente a razão desta falha.

[0094] Como se tem indicado anteriormente, a invenção oferece um método em tempo real da perfuração que emprega uma ferramenta de expansão para alargar o orifício de passagem da perfuração segundo a dimensão desejada com objetivo de superar qualquer restrição de passagem, estendendo o bloco cortador de expansão à um diâmetro maior que o da restrição de passagem, por meio da rotação e movimento axial da ferramenta ao longo do orifício de perfuração, podendo medir simultaneamente o diâmetro do orifício por meio da sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço, utilizando microprocessadores conectados a uma central de controle que atue em resposta aos dados recebidos desde a sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço e da sonda de posição do bloco lateral cortante, com o objetivo de controlar a expansão adequada desse bloco e conseguir o diâmetro desejado do poço, eliminando com este método causas de erros e falhas e minimizando os tempos de perfuração ao não requerer extrair a coluna de perfuração nem introduzir uma sonda de calibre independente.

[0095] A ferramenta está prevista de canais longitudinais abertos (150) no corpo desta, conhecidos como "junk flow ared' segundo se mostra nas Figuras 5, por onde passa livremente o fluxo do fluído de perfuração, incorporando-se pelo menos um emissor (210), ou um sensor e receptor integrado (160), situados em dois pontos fixos, preferentemente incorporados dentro destes canais e enfrentados entre si unidos e conectados a um microprocessador com o objetivo de permitir a medição das características do fluído, por exemplo, mudanças de densidade, que circulam através destes canais durante operações de perfuração ou que permanecem em seu interior em situação de parada da perfuração (200). O processador utiliza estas medidas acústicas para detectar mudanças de densidade do fluído de perfuração.

[0096] Nas Figuras 6 e 7 se ilustra como a ferramenta de alargamento pode utilizar dispositivos de comunicação dos dados obtidos na sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço e outros sinais de controle entre a ferramenta e o dispositivo de comunicação disposto na superfície exterior, a qual é capaz, entre outras funções, de controlar o avanço da perfuração durante a operação de alargamento.

[0097] Como se aprecia nas Figuras 6 e 7, a estrutura da cabeceira do poço (10) inclui um sistema de controle e comunicação (12) com um dispositivo de comunicação para telemetria com a instrumentação do poço incluindo um processador de dados ou datalogger (14) e uma central de controle (15) a qual decodifica os códigos binários procedentes do dispositivo de pulsos de lama, podendo-se conectar diretamente ao ordenador do operador de perfuração (16) e transmitir os dados via satélite (17) além da cabeceira do poço a um centro de operação remoto (18) de onde outro usuário de software da perfuração possa ter acesso aos dados e ao controle por meio de uma transmissão por telecomunicação (19).

[0098] Na Figura 8 aparece um diagrama lógico com um algoritmo de controle que pode ser configurado de várias maneiras para melhorar o rendimento.

[0099] Um exemplo de configuração consiste primeiro num circuito para comprovar os dados registrados de posição do bloco.

[00100] Se o bloco tem sido estendido mediante o sistema de controle segundo os dados procedentes da sonda de medida do diâmetro de alargamento do poço, e o diâmetro do poço continua sendo menor que o diâmetro planificado, o processador (68) ativa o transponde (72) que se comunica com central de controle (15), através do dispositivo de pulsos de lama (56) e transmissor decodificador correspondente (14), para avisar ao operador de perfuração local (16) ou remoto (18) através das equipes de transmissão de dados a distância (17 e 19) para verificar os parâmetros operacionais da perfuração e do alargamento alcançado do poço e sua diferença em relação ao desejado.

Claims

1. Equipamento de Controle de Alargamento, caracterizado por que compreende: pelo menos uma sonda de calibre (76), um alargador e um processador (68) em contato de recepção de dados com o sonda de calibre (76) e em contato com uma interface de superfície e o alargador, em que o processador (68) controla o alargador em resposta à sonda de calibre (76) que mede o diâmetro do poço (22, 76) e compara um diâmetro do poço (22, 76) medido usando dados de pelo menos uma sonda de calibre (76) com uma posição do bloco cortador (62) e um diâmetro de poço (22, 76) predeterminado e ativa ou desativa o alargador em resposta à sonda de calibre (76).

2. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o processador (68) é interligado para controlar o alargador em resposta a pelo menos uma sonda de calibre (76).

3. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a comunicação com a superfície é feita via pulso de lama (56) ligado por transmissão sem fio ou um fio rígido ou uma combinação dos mesmos e que também é usado para comunicar comandos e receber dados do alargador ou da sonda de calibre (76) ou do processador (68).

4. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o processador (68), ao receber dados da sonda de calibre (76), registra e verifica os dados do poço (22, 76) alargado e permite a entrega de um diâmetro de poço (22, 76) predeterminado.

5. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o diâmetro do poço (22, 76) medido é comparado com os dados da taxa de fluxo e verifica o alargamento e entrega de um diâmetro de poço (22, 76) predeterminado.

6. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que compreende ainda: comparar os dados do diâmetro de poço (22, 76), o peso, os dados da taxa de fluxo, os dados da posição do bloco cortador (62) e entrega o diâmetro do poço (22, 76) predeterminado.

7. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que compreende ainda: pelo menos uma restrição radial e pelo menos um sinal de pressão gerado durante o alargamento.

8. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a medição do diâmetro do poço (22, 76) é usada em tempo real ou em memória e proporciona ou determina o diâmetro do poço (22, 76) para uma espessura de cimentação exigida ou uma tolerância mínima para o revestimento.

9. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a sonda de calibre (76) é uma sonda de calibre (76) acústico.

10. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que pelo menos um sensor posicionai determina a posição de um bloco cortador (62) do alargador em relação ao corpo do alargador.

11. Equipamento de Controle de Alargamento, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que compreende ainda: um controlador de superfície; e um sistema de troca de dados entre o controlador de superfície e o processador (68).

12. Método de Operação e Controle de Perfuração Em Tempo Real, que emprega um alargador de expansão conforme definido na Reivindicação 1, caracterizado por que alarga o orifício de perfuração à dimensão pretendida e supera qualquer restrição, estendendo o bloco ou blocos cortadores (62) de expansão a um diâmetro maior do que o da restrição, girando o alargador e movendo-o axialmente ao longo do orifício de perfuração; e permite a medição simultânea do diâmetro do orifício de perfuração por meio da sonda e do diâmetro do poço (22, 76) alargado, usando microprocessadores (68) conectados a uma área de controle que atua em resposta aos dados recebidos da sonda e da sonda de posição do bloco cortador lateral (62) e controla a expansão necessária do bloco até alcançar o diâmetro de poço (22, 76) pretendido, elimina as causas de erros ou falhas, minimiza o tempo de perfuração e dispensa a extração da coluna de perfuração e a introdução de sonda de calibre (76) independente.