BRPI1005289B1

BRPI1005289B1 - cabeça de cimentar

Info

Publication number: BRPI1005289B1
Application number: BRPI1005289A
Authority: BR
Inventors: F Giebeler James; Mondelli Jc; Robichaux Ron
Original assignee: Blackhawk Specialty Tools Llc
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2019-09-10
Also published as: US9605505B2; US20100200222A1; AU2016203786A1; NO2389497T3; US9212531B2; EP2389497B1; EP2389497A4; EP2389497A1; EP3358128B1; AU2010206700B2; AU2010206700A1; BRPI1005289A2; US20160102521A1; WO2010085617A1; EP3358128A1; BRPI1005289A8; AU2016203786B2

Abstract

cabeça de cimentar a presente invenção refere-se a uma cabeça de cimentar de acionamento de topo de elevação operada remotamente (10) que tem uma elevada resistência a tensão, bem como a habilidade de girar ou rodar em torno de um eixo geométrico vertical central. a cabeça de cimentar permite o lançamento seletivo de dardos, limpadores, bolas e outros objetos que podem ser mantidos no lugar dentro da cabeça de cimentar sem serem danificados ou levados para longe pelo fluxo de pasta, mas que podem ser beneficamente lançados para dentro do dito fluxo de pasta no(s) ponto(s) desejado(s) durante o processo de cimentação. a cabeça de cimentar pode ser operada remotamente sem requerer a elevação de pessoal a partir do piso da sonda para acionar uma ferramenta ou observar o status de uma ferramenta.

Description

Campo da invenção [001] A presente invenção refere-se a um método e um aparelho para executar operações de cimentação em poços de petróleo e gás. Mais particularmente, a presente invenção pertence a um método e um aparelho para operações de cimentação em poços de petróleo e gás usando uma cabeça de cimentar rotativa operada remotamente que tem uma alta resistência a tensão.

Antecedentes da Invenção [002] A exploração e desenvolvimento de reservas marítimas de petróleo e gás podem ser empreendimentos extremante perigosos e caros. Quando uma plataforma fixa ou outra estrutura já está no lugar, os poços podem ser perfurados tipicamente usando uma sonda de perfuração suportada na plataforma. Entretanto, devido ao alto custo requerido para projetar, fabricar e instalar estruturas fixas e as instalações e equipamentos de produção associados, este investimento frequentemente é retardado até que a existência de reservas de petróleo e gás suficientes tenha sido provada através de operações de perfuração exploratórias. Como resultado, muitos poços marítimos, particularmente poços exploratórios e/ou poços perfurados em ambientes de águas profundas, são perfurados usando sondas de perfuração flutuantes tais como navios de perfuração e sondas de perfuração semisubmersíveis antes da instalação de uma plataforma permanente ou outra estrutura similar.

[003] Operações de perfuração conduzidas a partir de sondas de perfuração flutuantes diferem daquelas conduzidas de estruturas permanentes em muitos aspectos importantes. Uma diferença importante é a localização dos conjuntos de prevenção de erupção e cabeça de poço. Quando a perfuração é a partir de uma plataforma fixa ou outra estrutura similar, um conjunto de

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2/22 prevenção de erupção é localizado tipicamente na plataforma ou em outra estrutura. Entretanto, quando perfurando a partir de uma sonda de perfuração flutuante, os conjuntos de prevenção de erupção e montagem de cabeça de poço não são localizados na sonda de perfuração, mas no fundo do mar. Como resultado, tem que ser utilizado equipamento especializado conhecido como conjuntos de prevenção de erupção e cabeça de poço “submarino” ou “subsuperfície”.

[004] Operadores de cimentação frequentemente ficam mais complicados pelo uso deste equipamento submarino. Nas aplicações de perfuração de poço submarinas, uma cabeça de cimentar é tipicamente instalada acima do piso da sonda para fornecer uma conexão ou interface entre um sistema de elevação de tubo de sonda e equipamento de bombeamento de superfície, por um lado, e coluna de trabalho de fundo de poço ou outras tubulações que se estendem para dentro do poço, por outro lado. Estas cabeças de cimentar têm que permitir que a pasta de cimento flua de um conjunto de bomba para dentro do poço, e devem ter capacidade de fluxo suficiente para permitir um bombeamento de alta pressão de grandes volumes de cimento e outros fluidos a altas taxas de fluxo. Estas cabeças de cimentar também têm que ter resistência à tensão suficiente para suportar tubulações muito pesadas que se estendem da superfície para dentro do poço, e para acomodar a subida e descida destes objetos tubulares. As cabeças de cimentar também devem girar beneficamente para permitir a rotação dos objetos tubulares e/ou outros equipamentos de fundo de poço em um poço, enquanto mantém a circulação do equipamento de bombeamento de superfície para dentro dos objetos tubulares de fundo de poço que se estendem para dentro do poço.

[005] Dardos, bolas, plugues e/ou outros objetos, tipicamente construídos de borracha, plástico ou outro material, são frequentemente

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3/22 bombeados para dentro de um poço em conexão com operações de cimentação convencional. Em muitos casos, estes itens são suspensos dentro de uma cabeça de cimentar até que os objetos sejam soltos ou “lançados” em pontos desejados durante o processo de bombeamento de cimento. Uma vez soltos, estes itens se juntam ao fluxo de pasta de cimento e podem ser bombeados para baixo diretamente para dentro do poço. Estes dardos, bolas, plugues e/ou outros objetos devem beneficamente ser mantidos no lugar dentro do fluxo de pasta que passa através da cabeça de cimentar antes de ser lançado ou solto sem ser danificados ou levados para longe por este fluxo de pasta.

[006] Em muitos casos, as cabeças de cimentar têm que ser posicionadas bem acima do piso da sonda durante as operações de cimentação. Nestes casos, uma cabeça de cimentar será tipicamente localizada fora do alcance do pessoal que trabalha no piso da sonda, tornando difícil para este pessoal acessar com facilidade a cabeça de cimentar a fim de acionar válvulas e/ou lançar itens para dentro do poço. Frequentemente, o pessoal tem que ser içado do piso da sonda usando um assento ou cinto provisório preso a um guincho ou outro dispositivo de elevação a fim de alcançar a cabeça de cimentar para acionar válvulas e/ou lançar dardos, bolas, plugues ou outros objetos. Este pessoal está em risco de cair e sofrer sérios ferimentos ou morte. Além disso, este pessoal frequentemente é solicitado a carregar barras pesadas, chaves e/ou outras ferramentas usadas para manipular válvulas ou outro equipamento nestas cabeças de cimentar. Estas barras, chaves e/ou outras ferramentas pesadas estão sob risco de caírem acidentalmente sobre pessoas ou equipamentos no piso da sonda.

[007] Assim, existe uma necessidade por uma cabeça de cimentar de acionamento de elevação ao topo, que permita que o cimento

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4/22 flua para dentro da cabeça de cimentar de cima, e tenha uma alta resistência à tensão bem como a habilidade de girar ou rodar. As válvulas usadas para isolar ou restringir o fluxo através da cabeça de cimentar, bem como os mecanismos de lançamento para soltar dardos, bolas, plugues e/ou outros objetos dentro do fluxo de pasta, podem ser acionados remotamente de uma distância segura para eliminar a necessidade de elevar pessoal para fora do piso da sonda. Indicadores audíveis e/ou visuais também devem ser fornecidos para alertar o pessoal no piso da sonda e nas vizinhanças da operação de vários elementos da ferramenta e/ou o status dos objetos lançados para dentro de um poço.

Descrição da Invenção [008] A presente invenção compreende uma cabeça de cimentar que pode ser disposta abaixo de uma unidade de acionamento de topo, e permite que o cimento flua através da tal cabeça de cimentar e para dentro de um furo de poço abaixo. A cabeça de cimentar da presente invenção tem uma alta resistência à tensão, bem como a habilidade de girar ou rodar em volta de um eixo central (tipicamente vertical). A presente invenção também permite o uso de dardos, disparadores, bolas, limpadores e/ou outros objetos que podem ser mantidos no lugar dentro da cabeça de cimentar sem ser danificados ou levados para longe pelo fluxo de pasta de cimento, mas que podem ser beneficamente lançados ou soltos dentro do fluxo da dita pasta em pontos desejados durante o processo de cimentação.

[009] A cabeça de cimentar de elevação de acionamento de topo da presente invenção geralmente compreende um membro de conexão superior, membro de conexão inferior e um membro de corpo central em que cada um tem um orifício de fluxo central disposto longitudinalmente e que se estende através de tal membro. Estes orifícios de fluxo central são alinhados. Um conjunto de gaiola de fluxo é disposto dentro do orifício de fluxo central do

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5/22 dito membro de corpo central. Pelo menos uma válvula acionada por controle remoto é montada na ou próximo a extremidade superior do dito membro de corpo, e é usada para seletivamente isolar o fluxo de fluido para dentro do dito orifício de fluxo central da dita cabeça de cimentar de elevação de acionamento de topo. Um dispositivo de estabilização de torque fornece uma plataforma estável para manter o anel/invólucro de fluxo no lugar durante a rotação da dita cabeça de cimentar.

[0010] Um conjunto rotativo de comunicação de fluido permite a comunicação do fluido de um reservatório/fonte de fluido (tal como um reservatório de abastecimento de fluido hidráulico) para motores acionados por fluido que fornecem energia para os acionadores. A rotação geralmente permite que a cabeça de cimentar da presente invenção gire sem emaranhar ou quebrar as linhas hidráulicas usadas para fornecer este fluido para estes motores acionados por fluido.

[0011] Pelo menos uma porta ou janela de observação é fornecida para permitir a observação visual de objetos (tais como dardos, disparadores, limpadores e assim por diante) que são suspensos em um estágio estático pré-lançamento. Adicionalmente, pelo menos um indicador aberto/fechado fornece uma exibição visual para permitir que observadores (incluindo aqueles no piso da sonda ou próximos) determinarem se as válvulas estão em posições totalmente aberta ou totalmente fechada. Adicionalmente, em uma realização preferencial, é fornecido um indicador de passagem interna. O dito indicador pode tomar muitas formas, mas em uma realização preferencial compreende um dispositivo emissor de luz e/ou tom audível. Este indicador é fornecido para sinalizar para observadores (incluindo aqueles no ou próximos ao piso da sonda) a passagem de objetos lançados tais como limpadores, plugues, dardos, bolas ativadoras de caminho, e assim por diante através do orifício central da cabeça de cimentar.

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6/22 [0012] Pelo menos um impulsor de pino, que tenha recurso de controle também é fornecido beneficamente. Pelo menos um dos ditos impulsores de pino compreende um pino de adaptador extensível de entrada lateral usado para empurrar bolas de ativação de deslocamento furo abaixo ou outros objetos para dentro do orifício central da cabeça de cimentar. Os ditos impulsores de pino têm um sistema de controle que permite a operação manual no caso de um motor acionado remotamente falhar ou para a unidade ser deliberadamente usada de uma forma manual.

[0013] Pelo menos um puxador de pino que tenha um recurso de controle também é fornecido. É desejado que cada um dos pelo menos um puxadores de pino compreenda um pino retrátil de adaptador de entrada lateral usado para suspender dardos, limpadores, plugues e/ou outros objetos semelhantes dentro do conjunto de gaiola de fluxo ao redor até o lançamento dos ditos objetos. Cada um dos pelo menos um puxadores de pino também tem um sistema de controle manual que permite a operação de tais puxadores de pino caso um acionador automatizado falhe, ou caso a unidade seja deliberadamente usada em modo manual.

[0014] Consequentemente, é um objetivo da presente invenção fornecer uma cabeça de cimentar rotativa, operada remotamente capaz de elevar cargas de alta tensão, e ter suficiente capacidade de elevação para aplicações de perfuração submarina.

[0015] É um objetivo adicional da presente invenção fornecer um conjunto de gaiola montado centralmente em uma cabeça de cimentar para proteger objetos dentro do dito conjunto de gaiola do fluxo de cimento de cima e angularmente em volta do dito conjunto de gaiola, ao mesmo tempo em que permite o lançamento controlado remotamente dos ditos objetos em pontos desejados do processo de cimentação.

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7/22 [0016] É outro objetivo da presente invenção revelar uma cabeça de cimentar que tenha uma fixação de bola de borracha em sua parede lateral e um mecanismo para soltar a bola que não precise ser retraído após a operação.

Breve Descrição dos Desenhos [0017] O resumo apresentado acima, bem como a descrição detalhada a seguir de realizações preferenciais, será melhor entendido quando lido em conjunto com os desenhos em anexo. Para o propósito de ilustrar a invenção, os desenhos mostram certas realizações preferenciais. É entendido, entretanto, que a invenção não é limitada aos métodos e dispositivos específicos revelados.

[0018] A Figura 1 representa uma vista em corte parcial de uma cabeça de cimentar de elevação do estado da técnica.

[0019] A Figura 2 representa uma vista lateral da cabeça de cimentar de elevação da presente invenção acionada remotamente.

[0020] A Figura 3 representa uma vista lateral de um conjunto rotativo da presente invenção.

[0021] A Figura 4 representa uma vista em corte do conjunto rotativo da presente invenção ao longo da linha 4-4 da Figura 3.

[0022] A Figura 5 representa uma vista em corte do conjunto rotativo da presente invenção ao longo da linha 5-5 da Figura 3.

[0023] A Figura 6 representa uma vista em corte lateral de um conjunto de gaiola da presente invenção.

[0024] A Figura 7 representa uma vista em corte frontal de um conjunto gaiola da presente invenção.

[0025] A Figura 8 representa uma vista em corte frontal de um conjunto de gaiola da presente invenção.

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8/22 [0026] A Figura 9 representa uma vista em perspectiva explodida do mecanismo gotejador da presente invenção.

[0027] A Figura 10 representa uma vista em corte da cabeça de cimentar de elevação do presente aparelho, utilizada em conexão com operações de cimentação em uma sonda de perfuração.

Descrição de Realizações da Invenção [0028] A Figura 1 representa uma vista lateral em corte parcial ou uma vista seccional de uma cabeça de cimentar de elevação 100 do estado da técnica. A cabeça de cimentar de elevação 100 do estado da técnica, geralmente compreende um membro de corpo central 101 que tem um orifício longitudinal 102 que se estende através do dito membro do corpo central 101. A gaiola de dardos 103 é disposta dentro do dito orifício longitudinal 102, e pelo menos um dardo 104 é montado dentro da dita gaiola de dardos 103. Como representado na Figura 1, o dardo 104 repousa diretamente no pino transversal 105. O pino 105 é conectado ao conjunto de puxador de pino 106. O dito pino

105 tem que ser retraído manualmente usando o conjunto de puxador de pino

106 a fim de remover o suporte para o dardo 104 e soltar o dito dardo 104 para dentro do poço. A cabeça de cimentar de elevação do estado da técnica 100 também pode incluir conjunto de descida de bola 107, que pode ser montado em uma parede lateral do membro de corpo central 101.

[0029] Em operação, a cabeça de cimentar de elevação do estado da técnica 100 pode ser montada em uma sonda de perfuração, tipicamente abaixo de um dispositivo de acionamento de topo da maneira descrita acima. A pasta de cimento pode ser bombeada para dentro da dita cabeça de cimentar 100 através da porta de entrada 108, passar através do conjunto rotativo 109, para dentro do orifício central 102, passar a gaiola de dardo 103, e finalmente, para dentro de um poço situado abaixo da dita cabeça de cimentar 100. Os objetos mantidos dentro da gaiola de dardo 103, tais como dardo 104, podem

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9/22 ser soltos dentro da tal pasta de cimento e poço abaixo.

Embora a cabeça de cimentar do estado da técnica 100 seja capaz de girar, todas as válvulas associadas à dita cabeça de cimentar, bem como qualquer(quaisquer) dispositivo(s) de lançamento de dardo ou descida(s) de bola (tais como o conjunto de puxador de pino 106 e o conjunto de descida de bola 107), têm que ser acionados usando manipulação física. Como tal, quando a dita cabeça de cimentar do estado da técnica 100 está montada a uma distância significativa acima do piso da sonda, que é frequentemente o caso, o pessoal tem que ser içado do piso da sonda usando um assento ou cinto provisório preso a um guincho ou outro dispositivo de elevação a fim de permitir que este pessoal acesse fisicamente a dita cabeça de cimentar 100 para acionar válvulas e/ou lançar dardos, bolas, plugues ou outros itens. Nestes casos, o pessoal está em risco de cair e sofrer sérios ferimentos ou morte, e podem, acidentalmente, deixar cair chaves ou outras ferramentas pesadas nas pessoas ou equipamentos localizados no piso da sonda.

[0030] A Figura 2 representa uma vista lateral da cabeça de cimentar de elevação operada remotamente 10 da presente invenção. A cabeça de cimentar 10 compreende um conjunto ou membro de conexão superior 20, conjunto ou membro de conexão inferior 30, membro de corpo central 40 e conjunto rotativo de comunicação de fluido 50. O membro de conexão superior 20 é usado para conectar a cabeça de cimentar 10 (através de uma coluna de trabalho, tubo curto ou outro meio de conexão) a uma unidade de acionamento de topo ou outro dispositivo de suspensão similar usado em operações de perfuração de uma maneira que é bem conhecida para os técnicos no assunto. Embora possam ser usados outros meios de conexão, em uma realização preferencial o dito membro de conexão superior 20 inclui uma conexão roscada “tipo soquete”. Um orifício central, não visível na Figura 2, se estende através do dito membro de conexão superior 20, membro de

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10/22 conexão inferior 30, membro de corpo central 40 e conjunto rotativo de comunicação de fluido 50, é substancialmente alinhado com os eixos longitudinais dos ditos membros. O dito orifício central fornece um trajeto para fluidos, tal como pasta de cimento, passarem através da dita cabeça de cimentar de elevação 10.

[0031] A válvula de controle 21 igualmente tem um orifício de fluxo que se estende através da dita válvula, e é usada para isolar o fluxo dentro do orifício central da dita cabeça de cimentar de elevação 10 através do membro de conexão superior 20, tal como o fluxo da pasta de cimento ou outro fluido bombeado para dentro do orifício central do membro de conexão superior através de uma unidade de acionamento de topo. O acionamento da dita válvula de controle 21 permite o fechamento do dito orifício de fluxo da válvula e isolamento seletivo da cabeça de cimentar 10 de cima. O acionador de válvula 22 pode ser acionado remotamente através da linha de controle hidráulico 23, e pode seletivamente abrir e fechar a válvula 21. O indicador de posição da válvula 24 é conectado à válvula 21 para indicar se o orifício de fluxo da dita válvula 21 está na posição totalmente aberto ou totalmente fechado; o conhecimento da dita posição da válvula pode ser essencial para evitar danos ao equipamento resultante de suspensão de fluxo. Numa realização preferencial, o dito indicador de posição de válvula 24 é observável de uma distância significativa, tal como pelo pessoal no piso da sonda ou proximidades. O dispositivo de estabilização de torque 25 tem orifícios de conexão 26 e 27 para conexão de correntes ou outros meios de fixação usados para prender a cabeça de cimentar 10 no lugar. O dito dispositivo estabilizador de torque 25 é usado para fornecer uma plataforma estável para prender de maneira estável uma parte da cabeça de cimentar 10 enquanto a coluna de trabalho e/ou outros equipamentos abaixo gira.

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11/22 [0032] O conjunto rotativo de comunicação de fluido 50 é fornecido para permitir comunicação de fluido de uma fonte/reservatório de fluido para motores acionados por fluido (descritos abaixo) usados para fornecer energia para acionadores e/ou outros dispositivos usados para operação remota da cabeça de cimentar 10. Como usado neste documento, o termo “fluido” é definido amplamente para incluir qualquer substância, tal como um líquido ou gás, que seja capaz de fluir e que mude sua forma em uma taxa constante quando acionado por uma força que tende a mudar sua forma.

[0033] A Figura 3 representa uma vista lateral do conjunto rotativo de comunicação de fluido 50 da presente invenção. O mandril 51 compreende um corpo substancialmente tubular que tem um orifício longitudinal central 61 (não mostrado na Figura 3). O mandril 51 suporta o receptáculo de anel de fluxo 52 que possui um adaptador de entrada lateral 53 com conexão roscada 54. O receptáculo de anel de fluxo 52 compreende um receptáculo externo que define um sistema fechado para um fluxo contido de lama de perfuração, cimento, pasta, e/ou outros fluidos dentro da cabeça de cimentar 10 através do adaptador de entrada lateral 53. Durante operações de rotação, o receptáculo de anel de fluxo 52 permanece estático enquanto o mandril 51 é capaz de girar em torno de seu eixo geométrico longitudinal central. O receptáculo de anel de fluxo 52 permite a transferência de fluidos bombeados para dentro do adaptador de entrada lateral 53 para o mandril 51, mesmo durante rotação, através de uma série das câmaras vedadas e orifícios perfurados descritos abaixo em detalhes. Ainda com referência a Figura 3, uma pluralidade de portas estáticas 55 são fornecidas ao longo do comprimento do conjunto de membro de corpo inferior de comunicação de fluido 59. Adicionalmente, a pluralidade de portas 56 é fornecida no mandril 51. Numa realização preferencial, as portas 56 são alinhadas linearmente.

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12/22 [0034] A Figura 5 representa uma vista em corte lateral do conjunto rotativo de comunicação de fluido 50 ao longo da linha 5-5 da Figura

3. O receptáculo de anel de fluxo 52 tem orifício central 57 e câmara interna 58 em comunicação de fluido com orifício de fluxo central 53a do lado do adaptador de entrada lateral 53. O mandril 51 que tem um orifício central 61 é recebido dentro do orifício 57 do receptáculo de anel de fluxo 52, e é capaz de girar em torno de seu eixo geométrico longitudinal. Uma pluralidade de elementos de vedação 69 são dispostos acima e abaixo da câmara 58, e fornecem uma vedação de pressão entre o mandril 51 e receptáculo de anel de fluxo 52. Numa realização preferencial, elementos de vedação 69 compreendem vedações elastoméricas.

[0035] Uma pluralidade de portas 60 se estende através do mandril 51 e permite comunicação de fluido entre a câmara 58 e orifício central 61 do mandril 51. O fluido (tal como, por exemplo, lama de perfuração, ou pasta de cimento) pode ser bombeado através do orifício de fluxo 53a do lado do adaptador de entrada lateral 53, para dentro da câmara 58, através dos orifícios 60, e para dentro do orifício central 61 do mandril 51. Desta maneira, o fluido pode ser bombeado através do conjunto rotativo de comunicação de fluido 50 quando o mandril 51 está estático, ou quando o dito mandril 51 está girando em torno de seu eixo geométrico longitudinal central dentro do receptáculo de anel de fluxo 52.

[0036] Ainda com referência a Figura 5, o conjunto rotativo de comunicação de fluido 50 também facilita a transferência de fluido, durante operações estáticas ou rotativas, a partir de uma bomba de acionamento de fluido (tal como, por exemplo, uma bomba hidráulica) para motores acionados por fluido usados para operar remotamente a presente invenção.

[0037] Mangueiras ou outros condutos (não mostrados na Figura 5) conectam portas 55 com uma ou mais bombas de acionamento de fluido

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13/22 utilizadas em conexão com a cabeça de cimentar de elevação 10 da presente invenção. Numa realização preferencial, uma pluralidade de orifícios transversais 62 se estende das portas 55 através de um membro de corpo inferior 59. Uma pluralidade de ranhuras rebaixadas 63 é alinhada com um orifício transversal 62. Pelo menos um orifício de comunicação 54 se estende de cada um destes orifícios transversais 62 através do corpo do mandril 51 (substancialmente paralelo ao orifício central 61 do mandril 51) e saídas do mandril 51; cada um destes orifícios de comunicação 64 termina em um orifício

56. Elementos de vedação 65 são dispostos ao lado de cada ranhura rebaixada 63 a fim de fornecer uma vedação de fluido entre o receptáculo de anel rotativo de comunicação de fluido 52 e mandril 51.

[0038] A Figura 4 representa uma vista em corte do conjunto rotativo de comunicação de fluido 51 ao longo da linha 4-4 da Figura 3. O mandril 51 tem um orifício longitudinal central 61 que se estende através dele. Uma pluralidade de portas 56 é fornecida. Cada uma das ditas portas 56 é conectada a um orifício de comunicação 64. Como representado na Figura 5, cada um dos ditos orifícios 64 por sua vez se estende através do mandril 51 e uma ranhura rebaixada isolada separada 63 se estende em volta da circunferência externa do mandril 51. Como observado acima, cada uma das ranhuras rebaixadas por sua vez, está em comunicação de fluido com um orifício transversal separado 62 que se estende através do receptáculo rotativo de comunicação de fluido 52 e termina em uma peça estática 55 no membro de corpo inferior 59 do conjunto rotativo de comunicação de fluido 50. Com referência a Figura 2, uma pluralidade de mangueiras conecta as portas 56 ao mandril 51, e se estendem para motores acionados por fluido e/ou outros dispositivos conectados a cabeça de cimentar de elevação 10.

[0039] Voltando a referência da Figura 2, é fornecido pelo menos um conjunto de puxador de pino 70. Numa realização preferencial, cada um

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14/22 dos ditos conjuntos de puxador de pino 70 compreende um adaptador retrátil de entrada lateral que é usado para suspender objetos (tais como, por exemplo, dardos, limpadores, bolas e assim por diante) dentro da cabeça de cimentar 10. O motor acionado por fluido 71 é um dispositivo mecânico usado para energizar um acionador para o dito conjunto de puxador de pino 70, numa realização preferencial, a porta de observação 72 é fornecida e inclui um dispositivo transparente semelhante à uma janela para observar visualmente/fisicamente um objeto sendo suspenso no estágio estático préqueda. Isto pode ser especialmente significativo para o pessoal de campo que pode não ter estado presente durante o carregamento de tal objeto. A porta de observação 72 permite que este pessoal de campo verifique, inspecione, manipule, grave, leia e/ou teste o objeto pré-queda no local, o que pode economizar tempo de sonda permitindo, mas não exigindo, carregamento no campo destes objetos.

[0040] A porta de observação 72 também permite que um observador insira uma ferramenta ou instrumento para manipular um objeto pré-carregado, ou forneça objetos diretamente dentro do dispositivo no campo. A porta de observação 72 também permite a adição de material não ferroso, seja obscuro, semi-obscuro ou transparente, para comunicação sem fio e identificação do objeto pré-queda usando meio de comunicação magnético, de rádio frequência, infravermelho, ou qualquer outro. A porta de observação 72 também permite a adição dos sensores de monitoramento de fluido que podem monitorar diferentes variáveis incluindo, sem limitação, resistividade, ofuscação, reflexão, temperatura e/ou características específicas do fluido. Adicionalmente, os ditos sensores podem ser usados para disparar funções automatizadas com os ditos motores integrados e válvulas descritas neste documento. Um sistema de controle manual permite a operação do conjunto de

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15/22 puxador de pino 70 se o acionador falhar ou se a unidade for usada deliberadamente em modo manual.

[0041] O conjunto de impulsor de pino 80 compreende um adaptador de pino extensível de entrada lateral que é usado para empurrar objetos (incluindo, por exemplo, bolas de ativação de deslocamento furo abaixo) dentro de um orifício central da dita cabeça de cimentar de elevação

10. Um motor acionado por fluido 81 é um dispositivo mecânico usado para energizar um acionador para cada conjunto de impulsor de pino 80. O conjunto impulsor de pino 80 tem, beneficamente, um sistema de controle que permite a operação manual do dito conjunto impulsor de pino se o acionador falhar ou se a unidade for deliberadamente usada em modo manual.

[0042] O indicador de reinicialização de passagem interna 90 é fornecido para indicar a passagem de objetos usados no fundo de poço (tais como, por exemplo, limpadores, plugues, dardos, bolas de ativação de deslocamento, etc.) através do orifício da dita cabeça de cimentar. Numa realização preferencial, o dito indicador de passagem interna 90 fornece um sinal, tal como uma indicação visual de iluminação brilhante e/ou um tom audível perceptível. Alternativamente, o indicador de reinicialização de passagem interna pode compreender um dispositivo de sinalização mecânica, tal como uma bandeira, uma alavanca que se mova para cima ou para baixo, uma roda girando no sentido horário ou anti-horário, e/ou outros indicadores mecânicos similares. Adicionalmente, o dispositivo automatizado de detecção de passagem positiva 91 também pode ser usado para indicar a passagem de objetos usados no fundo de poço (tais como, por exemplo, limpadores, plugues, dardos, bolas de ativação de deslocamento, etc.) através do orifício da dita cabeça de cimentar.

[0043] A válvula 92 é fornecida tendo um acionador operado através de movimento de fluido que pode seletivamente abrir e fechar a dita

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16/22 válvula 92. A válvula 92 pode ser usada para isolar o fluxo através do orifício inferior, e do/para o poço ou outros itens situados abaixo da cabeça de cimentar 10. O indicador aberto/fechado 93 é fornecido para exibir para o(s) observador(es) se a válvula 92 está totalmente aberta o que é essencial para mitigar danos ao equipamento pela suspensão de fluxo. Numa realização preferencial, o membro de conexão inferior 30 tem uma conexão roscada de “extremidade de pino” com rosca para conectar a cabeça de cimentar 10 a uma coluna de trabalho, tubo curto ou qualquer item abaixo na coluna.

[0044] A Figura 6 representa uma vista em corte de um conjunto de gaiola da presente invenção, enquanto a Figura 7 representa uma vista frontal de um conjunto de gaiola da presente invenção.

[0045] O conjunto de gaiola de fluxo ao redor 200 compreende um corpo tubular substancialmente oco 201 que é disposto dentro do orifício central 48 do membro de corpo central 40. O corpo tubular 201 é beneficamente suportado e alinhado dentro do membro de corpo central 40 usando trilhos centralizadores alados 202. O dito corpo tubular 201 é adicionalmente suportado e alinhado com um conjunto de puxador de pino 70 e porta de observação 72. Dardos 300 são dispostos em estado estático dentro do dito corpo tubular 201.

[0046] O dito corpo tubular 201 compreende adicionalmente uma tampa de topo 203 que permite algum fluxo limitado através da dita tampa para dentro do conjunto de gaiola 200. A haste de catapulta 204 também tem um disco 205 substancialmente plano em sua extremidade inferior para evitar danos no topo dos dardos 300 (ou outros objetos dentro do conjunto da gaiola 200), e para evitar o alojamento do dito dardo 300 entre a haste de catapulta 204 e a superfície interna do corpo tubular da gaiola 201. É fornecida uma mola de ajuste 206 para energizar a haste de catapulta 204.

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17/22 [0047] Os pares de alçapões 73 são articulados e suspensos/suportados por um pino 74, que por sua vez é conectado ao motor puxador de pino 71. Quando se deseja lançar o dardo 300, o motor puxador de pino 71 é acionado para retrair o pino 74. Neste caso, é permitido que o par de alçapões 73 abra, deste modo permitindo a passagem de objetos suspensos tais como dardos 300. O aparelho mencionado acima evita/reduz o lançamento prematuro de um objeto em volta do pino 74, e/ou alojamento da cabeça (superfície frontal) do dardo 300 entre o pino 74 e a superfície interna do corpo tubular da gaiola 201. O pino 74 fornece uma plataforma segura e estável para suspender os pares de alçapões 73 que por sua vez suportam/retêm o dardo pré-queda 300 para evitar o lançamento prematuro do dito dardo 300 e também reduz a chance de desvio em volta do pino durante fluxo forte ou turbulento.

[0048] A Figura 7 representa uma vista em corte frontal de um conjunto de gaiola da presente invenção que mostra a cabeça do pino 74. Ambas as portas dos pares de alçapões 73 repousam sobre pinos 74 antes da retração dos ditos pinos 74 (usando o motor puxador de pino 71) e abertura dos alçapões 73.

[0049] A Figura 8 representa uma vista em corte frontal de uma realização alternativa do conjunto de gaiola da presente invenção. O conjunto de gaiola de fluxo ao redor 200 compreende um corpo tubular substancialmente oco 201 que define um espaço interno que é disposto dentro do orifício central 48 do membro de corpo central 40. O corpo tubular 201 é beneficamente suportado e alinhado dentro do membro de corpo central 40 usando trilhos centralizadores alados 202. O dito corpo tubular 201 é adicionalmente suportado e alinhado com o conjunto de puxador de pino 70 e porta de observação 72. O dardo 300 e bola esférica 301 são dispostos em estado estático dentro do dito corpo tubular 201.

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18/22 [0050] O dito corpo tubular 201 adicionalmente compreende uma tampa de topo 203 que permite algum fluxo limitado através da dita tampa e para dentro do conjunto de gaiola 200. A haste de catapulta é disposta de forma deslizante através de um orifício que se estende através da dita tampa de topo 203. A haste de catapulta também tem um disco 205 substancialmente plano em sua extremidade inferior para evitar dano acima dos dardos 300, e para evitar o alojamento do dito dardo 300 entre a haste de catapulta 204 e a superfície interna do corpo tubular da gaiola 201.

[0051] Os pares de alçapões 73 são articulados e suspensos/suportados por pino 74, que por sua vez é conectado ao motor puxador de pino 71. Quando se deseja lançar bola esférica 301 ou dardo 300, o motor puxador de pino 71 é acionado para retrair o pino 74. Neste caso, é permitido que o par de alçapões 73 abra permitindo deste modo a passagem de objetos suspensos (tais como dardos 300) em movimento livre para baixo. O aparelho mencionado acima evita/reduz o lançamento prematuro de um objeto em volta do pino 74, e/ou alojamento da cabeça (superfície frontal) do dardo 300 entre o pino 74 e a superfície interna do corpo tubular da gaiola 201. O pino 74 fornece uma plataforma segura e estável para suspender pares de alçapões 73 que por sua vez suportam/retêm o dardo 300 ou bola esférica 301 pré-queda.

[0052] Voltando a referência para a Figura 2, um dispositivo alternador opcional 401 é fornecido para converter energia externa ou mecânica local para energia para fonte de energia integrada. Por exemplo energia de fluido, rotação mecânica, energia de onda, solar, diferença de temperatura de motor, etc.. É fornecido um dispositivo de comunicação sem fio 402 para transferir informação de controle e direções para, e da ferramenta para o piso da sonda e vice-versa. É fornecido um controlador integrado 403 para receber sinais de comunicação sem fio e transferir estes sinais para

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19/22 dispositivos mecânicos da presente invenção. O dito dispositivo também pode facilitar comunicação com dispositivos de telemetria e operações de gravação. É fornecido um interruptor de fluido integrado 404 para obter sinais do controlador e desviar fluido para os motores integrados, válvulas e outros equipamentos. Material não ferroso é usado para suportar pressões internas, fornecendo ainda um trajeto não metálico limpo para comunicação sem fio. O dispositivo de comunicação pré-queda 405 é capaz de ler e identificar o tipo de objeto situado dentro do conjunto de gaiola 200, dentro do membro de corpo central 40. É provido um sensor de detecção automatizado de passagem positiva 91 para registrar a passagem de um objeto que passa dentro da cabeça de cimentar 10 (tal como um objeto sendo lançado do conjunto de gaiola 200), e é capaz de comunicação através do material não ferroso.

[0053] A Figura 9 representa uma vista em perspectiva explodida do mecanismo de lançar da presente invenção. O conjunto de gaiola de fluxo ao redor 200 compreende um corpo tubular substancialmente oco 201 que tem uma pluralidade de portas de fluxo 207 que é recebido e montado dentro do orifício central 48 do membro de corpo central 40. O corpo tubular 201 é beneficamente suportado e alinhado dentro do membro de corpo central 40 usando trilhos centralizadores alados 202. O dito corpo tubular 201 é suportado e alinhado adicionalmente com os conjuntos de puxador de pino 70, e portas de observação 72. O dardo 300 e bola esférica 301 podem ser carregados e dispostos em um estado estático dentro do dito corpo tubular 201.

[0054] O dito corpo tubular 201 compreende adicionalmente tampa de topo 203 que permite algum fluxo limitado entre a dita tampa e para dentro do conjunto de gaiola 200. A haste de catapulta 204 é disposta de forma deslizante através do orifício 203a que se estende através da dita tampa de topo 203. A haste de catapulta 204 também tem um disco substancialmente plano 205 em sua extremidade inferior para impedir danos ao dardo 300 (ou

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20/22 outros objetos dentro do conjunto de gaiola 200), e para impedir o alojamento do dito dardo 300 entre a haste de catapulta 204 e a superfície interna do corpo tubular da gaiola 201. É fornecida uma mola de ajuste para energizar a haste de catapulta 204.

[0055] A haste de catapulta 204 atua como a base principal do sistema de catapulta de lançamento de objeto. Numa realização preferencial, um botão de preservação de forma se projeta do lado inferior do disco 205 e se ajusta dentro do leme/cone superior do dardo 300 ou objeto semelhante que é para ser lançado; o dito botão de preservação de forma evita a deformação do leme; se não estiver presente, o leme pode ser achatado pela catapulta energizada pela mola, o que pode fazer com que o objeto fique em condições de operação indesejáveis, tal como um desvio de fluido, sendo o fluido o principal veículo usado para entregar o objeto para baixo no furo de poço. É dada uma velocidade de volume de fluido mais alta nas fendas de fluxo 205a durante a fase de deslocamento após o lançamento do objeto para dentro do furo de poço.

[0056] A haste de catapulta 204 ajuda no lançamento do objeto, no caso de fluxo de fluido lento, com uma mola 206 engatilhada e carregada manualmente. A haste de catapulta 204 aumenta a velocidade de um objeto sendo lançado e move este objeto para dentro do trajeto do fluxo. O disco 205 preenche substancialmente o diâmetro interno do corpo tubular 201, mas tem movimento livre de alternação que evita que o topo de um objeto pré-queda se mova para cima e tente mover a haste de catapulta 204, o que pode provocar o alojamento do dito objeto entre a haste de catapulta 204 e a superfície interna do corpo tubular 201, como resultado do fluxo para cima/inverso ou mergulhante durante a ativação do mecanismo de catapulta.

[0057] A Figura 10 representa uma vista em corte da cabeça de cimentar de elevação 100 do presente aparelho utilizada na conexão de

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21/22 operações de cimentação em uma sonda de perfuração. O conjunto de cabeça de cimentar 100 é fornecido com ou sem rotação de fluxo principal ou entrada lateral secundária e conectado a um conjunto de acionamento de topo de uma sonda de perfuração. Numa realização preferencial da presente invenção, uma válvula controlada remotamente fica na parte superior do conjunto em linha com a coluna de trabalho, adjacente fica um dispositivo de transferência remoto para comunicação de fluido. Pelo menos um mecanismo de lançar controlado remotamente e mecanismo de largar uma bola são fornecidos. Um dispositivo falante de auto-inicialização alerta os operadores que um objeto passou através da conexão inferior e está se deslocando poço abaixo. Pelo menos uma válvula controlada remotamente é fornecida na, ou próximo a, extensão inferior do conjunto de cabeça de cimentar 100.

[0058] Como exposto em detalhes acima, componentes do conjunto da cabeça de cimentar 100 que requerem movimento ou acionamento podem ser beneficamente operados usando um sistema de controle remoto. Numa realização preferencial da presente invenção, este sistema de controle remoto compreende uma série de linhas mangueiras de comunicação de fluido. Entretanto, deve ser observado que outros meios ou controle remoto podem ser utilizados incluindo, sem limitação, fibra ótica, infravermelho, ondas sonoras, rádio frequência, tecnologia blue tooth, laser, ultra-som, pulsos de pressão, magnético e/ou outra tecnologia de controle remoto. Adicionalmente, o controle e monitoração podem ser obtidos através de pulsos de fluido, pressões hidráulicas, pulsos de onda, pulsos de ultra-som ou ondas acústicas.

[0059] Válvulas que requerem ou são esperadas estar totalmente abertas ou totalmente fechadas durante a operação beneficamente incluem indicadores para sinalizar se estas válvulas estão em uma posição totalmente aberta ou totalmente fechada. Dispositivos de monitoração eletrônicos ou mecânicos podem ser usados para monitorar múltiplas variáveis durante

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22/22 operação de conjunto de cabeça de cimentar 100, tais como força/torque no conjunto, calor, pressão, rotações, RPM, e/ou outros dados benéficos.

[0060] A cabeça de cimentar 100 também pode beneficamente permitir a conversão de energia mecânica (a título de ilustração, mas não de limitação, do fluxo de fluido, movimento de ferramenta ou rotação) em energia elétrica para uso em uma fonte de energia integrada. Adicionalmente, a dita fonte de energia integrada pode ser derivada de elementos externos tais como energia solar, energia de ondas, ou energia do vento.

[0061] A invenção descrita acima tem uma quantidade de características particulares que devem preferencialmente ser empregadas em combinação, embora cada uma seja útil separadamente sem se afastar do escopo da invenção. Embora uma realização preferencial da presente invenção seja mostrada e descrita neste documento, deve ser entendido que a invenção pode ser incorporada de forma diferente da ilustrada ou descrita especificamente neste documento, e que certas mudanças na forma de uma disposição de peças e a maneira específica de executar a invenção podem estar dentro da idéia ou princípios básicos da invenção.

Claims

1. CABEÇA DE CIMENTAR (10), caracterizada por compreender:

a) um conjunto superior (20) que tem um orifício para fluxo de fluido;

b) um conjunto rotativo (50) conectado ao conjunto superior (20), em que o conjunto rotativo (50) tem um orifício (61) para fluxo de fluido e pelo menos uma entrada de fluido, em que o orifício (61) para fluxo de fluido fica em comunicação de fluido com o orifício do conjunto superior (20);

c) um membro de corpo (40) conectado rotativamente ao conjunto rotativo (50), em que o membro de corpo (40) tem um orifício (48) para fluxo de fluido em comunicação de fluido com os orifícios (68) do conjunto superior (20) e conjunto rotativo (50);

d) um conjunto de gaiola (200) montado no orifício (48) do membro de corpo (40), em que o conjunto de gaiola (200) tem um espaço interno e uma pluralidade de portas de fluxo (207) que permitem o fluxo de fluido através do espaço interno do conjunto de gaiola (200);

e) um conjunto de puxador de pino (70) preso no membro de corpo (40) e tendo um pino retrátil (74), em que o pino (74) é orientado perpendicularmente ao orifício (48) do membro de corpo (40) e se estende para dentro do orifício (48) do membro (40);

f) pelo menos uma porta articulada (73) montada dentro do conjunto de gaiola (200) e suportada pelo pino (74), em que a porta (73) bloqueia o conjunto de gaiola (200) em uma posição fechada;

g) um dardo (300) disposto na pelo menos em uma porta (73) articulada; e

h) um conjunto inferior (30) que tem um orifício para fluxo de fluido em comunicação de fluido com os orifícios (48, 61) do conjunto superior

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2/3 (20), conjunto rotativo (50) e membro de corpo (40), em que o conjunto inferior (30) tem ao menos uma porta de observação (72) e, em que a pelo menos uma porta de observação (72) inclui uma janela transparente.

2. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente um conjunto de elevação conectado ao conjunto superior (20) para elevar a cabeça de cimentar (10).

3. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender um conjunto impulsor de pino (80) dotado de pino extensível de entrada lateral para empurrar objetos dentro de um orifício central da dita cabeça de cimentar (10)

4. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente um lançador de bola em uma parede lateral do membro de corpo (40), sendo que o lançador de bola possui uma bola (301) e um dispositivo lançador de bola, em que o dispositivo lançador não se estende para dentro do orifício (48) do corpo (40) após a bola (301) ser lançada.

5. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do dispositivo lançador de bola ser controlado remotamente.

6. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do puxador de pino (70) ser controlado remotamente.

7. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do conjunto impulsor de pino (80) ser controlado remotamente.

8. CABEÇA DE CIMENTAR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um

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3/3 indicador de passagem interna (90).