BRPI1106161A2

BRPI1106161A2 - sistema para facilitar a perfuraÇço de um poÇo, mÉtodo para facilitar a perfuraÇço de um poÇo, e sistema para medir de deformaÇço em uma aplicaÇço de poÇo

Info

Publication number: BRPI1106161A2
Application number: BRPI1106161-8A
Authority: BR
Inventors: Firas Zeineddine
Original assignee: Prad Res & Dev Ltd
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-03-19
Also published as: GB201120257D0; US8739868B2; GB2486059B; US20120132467A1; GB2486059A; NO20111638A1

Abstract

SISTEMA PARA FACILITAR A PERFURAÇçO DE UM POÇO, MÉTODO PARA FACILITAR A PERFURAÇçO DE UM POÇO, E SISTEMA PARA MEDIR A DEFORMAÇçO EM UMA APLICAÇçO DE POÇO. Uma técnica amplifica fisicamente a deformação para facilitar a medição da deformação/ deslocamento. Um mecanismo de amplificação da deformação é montado em um componente, que está sendo monitorado quanto à deformação, e compreende um orifício de entrada e um orifício de saída. O mecanismo de amplificação de deformação é fixado ao componente, de tal forma que o orifício de entrada se mova, quando o componente é submetido à deformação. Um movimento do orifício de entrada provoca o movimento do orifício de saída a uma maior distância do que o movimento físico do orifício de entrada. Um sensor de deformação é acoplado ao orifício de saída para detectar o seu movimento sobre a maior distância.

Description

SISTEMA PARA FACILITAR A PERFURAÇÃO DE UM POÇO, MÉTODO PARA FACILITAR A PERFURAÇÃO DE UM POÇO, E SISTEMA PARA MEDIR A DEFORMAÇÃO EM UMA APLICAÇÃO DE POÇO

Antecedentes

A medição de tensão e deformação pode ser extremamente difícil e, muitas vezes, requer o uso de equipamentos sensíveis, capazes de medir valores muito pequenos de deformação. Geralmente, métodos de medição direta de tensão não estão disponíveis para aplicações comerciais e, assim, a tensão geralmente é determinada, medindo-se a deformação. Vários tipos de sensores são utilizados para medir a deformação, e incluem medidores de deformação, por exemplo, medidores piezo-resistivos de deformação, dispositivos magnetoelásticos, sensores ópticos, dispositivos de detecção acústica, dispositivos de corrente parasita, anéis sob carga, células de carga, e diafragmas. No entanto, medidores de deformação e outros sensores de medição de deformação existentes são extremamente sensíveis às condições externas, como desvio (movimento permanente do sensor após a ocorrência de deformações), tensões ou deformações residuais, efeitos de temperatura, ruído elétrico, outros fatores ambientais, e/ou com ligação mecânica defeituosa do sensor ao material que está sendo testado quanto à deformação. Assim, a medição da deformação com precisão é difícil em aplicações no fundo de poços, tais como aplicações de perfuração de poços.

Várias abordagens têm sido empregadas para corrigir essas condições. Por exemplo, dispositivos de amplificação de sinal, p. ex., amplificadores de operação, podem ser empregados, ou a sensibilidade do medidor pode ser eletricamente aumentada com o uso de pontes de Wheatstone. No entanto, mesmo com tais melhorias, o sinal do medidor de deformação permanece baixo e é suscetível aos efeitos ambientais e outros efeitos limitantes. Em algumas aplicações, os efeitos das mudanças de temperatura têm sido compensados até certo ponto, selecionando um material de sensor e um material de suporte com um coeficiente de expansão térmica semelhante ao do material de referência do objeto, que está sendo monitorado quanto à deformação. Esta técnica reduz o efeito da temperatura, mas não elimina o efeito. Em uma aplicação de perfuração de poços, por exemplo, a temperatura em um comando de perfuração pode variar em 150°C, o que provoca uma expansão do comando cerca de 25 vezes maior, que a deformação induzida devido às cargas de perfuração. Isto significa que, se o erro na medição da temperatura for de 1%, o erro na medição de deformação pode facilmente chegar a 20%.

Outros métodos empregados para compensar as mudanças de temperatura incluem a colocação de dispositivos de medição de compensação de temperatura em uma ponte de Wheatstone. Tabelas de consulta ou ajuste polinomial também podem ser empregados para modelar o efeito da temperatura sobre as medições de deformação e, às vezes, os efeitos da temperatura podem ser compensados através de software. No entanto, as abordagens existentes não são suficientemente capazes de compensar os muitos fatores ambientais e outros efeitos encontrados em aplicações relativamente extremas para fornecer medições precisas e consistentes da deformação.

Sumário

Em geral, um sistema e metodologia são fornecidos para amplificar, mecânica ou fisicamente, a deformação e, assim, facilitar a medição de deformação e/ou permitir a medição de deslocamento, em vez de simplesmente aumentar o sinal do sensor. Um mecanismo de amplificação da deformação é montado em um componente que está sendo monitorado quanto à deformação, e compreende um orifício de entrada e um orifício de saída. O mecanismo de amplificação de deformação é fixado ao componente, de tal forma que o orifício de entrada se mova, quando o componente é submetido à deformação. O movimento do orifício de entrada provoca o movimento do orifício de saída a uma maior distância do que o movimento físico do orifício de entrada. Um sensor, por exemplo, um sensor de deformação ou um sensor de deslocamento, é acoplado ao orifício de saída, para detectar o seu movimento sobre a maior distância. .......................Breve Descrição dos Desenhos________________________________________________ Certas modalidades da invenção serão descritas a seguir com referência aos desenhos anexos, onde números de referência semelhantes denotam elementos semelhantes, e:

a Figura 1 é uma ilustração esquemática de um exemplo de uma coluna de perfuração, que inclui um componente que está sendo monitorado quanto à deformação, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 2 é uma vista ortogonal de uma modalidade de um mecanismo de amplificação de deformação na forma de um mecanismo complacente, que pode ser montado no componente que está sendo monitorado quanto à deformação, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 3 é uma representação esquemática do mecanismo de amplificação de deformação ilustrado na Figura 2, que mostra o aumento do movimento de um orifício de saída em resposta ao movimento relativamente menor de um orifício de entrada, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 4 é uma representação esquemática de um exemplo de uma ligação de quatro barras, que pode ser usada para amplificar uma deformação, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 5 é outra representação esquemática da ligação de quatro barras, em que um orifício de entrada é movido por uma entrada induzida por deformação, para causar _. o movimento de um orifício de saída a uma.....maior .distância, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 6 é outra representação esquemática da ligação de quatro barras, em que sensores foram acoplados com a ligação de quatro barras em vários locais, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 7 é uma representação esquemática de uma modalidade de um mecanismo que amplifica uma deformação, reduzindo um comprimento de referência, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 8 é uma representação de um mecanismo de amplificação da deformação tendo membros flexíveis, que se movem a uma maior distância em uma primeira direção, quando o mecanismo é sujeito a deformar o movimento induzido em outra direção, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 9 é uma ilustração de um exemplo alternativo de um mecanismo de amplificação da deformação, que é umedecido contra oscilação ressonante, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 10 é uma visão ortogonal de um mecanismo de amplificação de deformação montado dentro de um componente correspondente, como um comando de perfuração, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 11 é uma visão ortogonal de um mecanismo de amplificação da deformação montado no exterior de um β ___________componente correspondente, como um comando.......de perfuração,

de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 12 é uma ilustração de um exemplo alternativo de um mecanismo de amplificação da deformação, que tem vários orifícios de saída, utilizados em uma ponte de Wheatstone, de acordo com uma modalidade da presente invenção; e

a Figura 13 é uma ilustração de um outro exemplo alternativo de um mecanismo de amplificação de deformação, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada Na descrição a seguir, vários detalhes são apresentados para fornecer uma compreensão da presente invenção. No entanto, deverá ser compreendido por aqueles com habilidade comum na arte, que a presente invenção pode ser praticada sem esses detalhes, e que inúmeras variações ou modificações das modalidades descritas podem ser possíveis.

As modalidades aqui descritas geralmente dizem respeito a um sistema e método para fornecer melhoradas medições de deformação/ deslocamento em uma variedade de ambientes. A técnica aumenta mecânica ou fisicamente a deformação ou deslocamento medido por um sensor correspondente, para permitir a detecção e o monitoramento mais fácil e mais consistente da deformação experimentada por um componente. Através do aumento mecânico da deformação, os sensores não necessitam depender apenas do aumento do sinal, mas ao invés disso são capazes de medir um movimento físico, real. 0 movimento físico, real, detectado pelo sensor ocorre ao longo de uma maior distância, do que o movimento associado diretamente à deformação experimentada pelo componente, se medido ao longo do mesmo comprimento de referência. A deformação mecânica "reforçada" facilita a detecção e monitoração da deformação em ambientes difíceis, como ambientes agressivos e ambientes com substanciais ruídos elétricos. Como resultado, o sistema e método são adequados para uma variedade de aplicações em poços, tais como aplicações de perfuração de poços. Através da medição mais precisa da deformação nestes tipos de aplicações, as falhas e/ou atrasos caros podem ser minimizados. Por exemplo, uma medição precisa das forças de tração/ torção pode ajudar a otimizar as operações em poços, evitar eventos destrutivos durante a operação (por exemplo, tração excessiva, sobretorque, flexão), e minimizar a falha indeterminística (por exemplo, a fadiga dos comandos de perfuração ou desgaste excessivo da broca de perfuração).

De acordo com uma modalidade, um método para medir a deformação emprega um ou mais mecanismos complacentes, que são capazes de amplificar a deformação experimentada por um componente correspondente submetido à carga. Isso permite que os sensores de deformação leiam uma maior resposta, que leva a uma leitura mais precisa, porque a relação sinal-ruido é bastante reduzida. Cada mecanismo complacente tem pelo menos um orifício de entrada e pelo menos um orifício de saída. 0 orifício de entrada é uma porção do mecanismo complacente, diretamente ligada a uma estrutura de referência, de modo a se mover sob a entrada de deformação que ocorre na estrutura de referência. Uma vez que o orifício de entrada se move devido à deformação da estrutura de referência, o orifício de saída se deforma com um valor maior, por exemplo, se move a uma maior distância, do que o orifício de entrada.

0 valor da deformação de saída em relação à deformação de entrada pode ser determinado através de cálculos de cinemática. Consequentemente, a saída pode ser otimizada para certa faixa de entrada e resposta dinâmica. Um dispositivo de detecção é acoplado ao orifício de saída para medir a deformação amplificada, e o dispositivo de detecção pode incluir uma variedade de medidores de deformação ou outros sensores projetados para medir a deformação de saída.

Dependendo do ambiente e aplicação, sistemas de medição de deformação podem ser construídos com vários tipos de mecanismos amplificadores de deformação mecânica, incluindo mecanismos complacentes. Mecanismos complacentes são dispositivos mecânicos, que fornecem orientação de movimento suave e controlado devido à deformação de alguns ou de todos os componentes/ características do mecanismo complacente. Mecanismos complacentes podem ser dispositivos de várias peças ou dispositivos monolíticos (de peça única). Mecanismos complacentes não necessitam de mancais de deslizamento, rolamento, ou de outros tipos de mancais de contato freqüentemente encontrados em mecanismos rígidos. Por exemplo, alguns mecanismos complacentes são formados com dobradiças ativas, em vez de mecanismos de junção revoluta (mecanismos, em que uma característica pivota ou desliza em relação a outra característica do mecanismo). O uso de mecanismos complacentes em sistemas de sensores de deformação, como os descritos abaixo, permite que os sistemas de sensores realizem medição confiável do movimento de alto desempenho que, por sua vez, permite o controle confiável do movimento de alto desempenho a baixo custo. Conforme descrito abaixo, várias modalidades dos mecanismos complacentes podem ser concebidas como sistemas micro-eletromecânicos.

Referindo-se geralmente à Figura 1, um sistema 20 é ilustrado como um exemplo de um tipo de sistema tendo componentes submetidos à tensão e deformação. Ao monitorar a deformação criada por cargas de tensão agindo sobre um ou mais componentes do sistema, um melhor controle sobre a operação do sistema é permitido. No exemplo específico ilustrado, o sistema 20 é um sistema relacionado a poços, tal como um sistema de perfuração. No entanto, o sistema e a metodologia aqui descritos para medir deformação podem ser usados em uma variedade de sistemas, e o sistema 20 é simplesmente fornecido como um exemplo ilustrativo.

Na Figura 1, a modalidade ilustrada do sistema 20 compreende um conjunto de furo inferior 22, que faz parte de uma coluna de perfuração 24 utilizada para formar um poço desejado, direcionalmente perfurado 26. Nesse exemplo, o sistema 20 também inclui uma ferramenta de poço 28, por exemplo, um sistema rotativo direcionável 30 controlado por um sistema de válvulas e atuadores correspondentes. O sistema rotativo direcionável 30 pode incluir um alojamento da seção de direcionamento 32, projetado para conter sistemas de válvulas e/ou eletrônicos, que controlam a direção da perfuração. Além disso, um ou mais sistemas de medição de deformação 34 pode ser montado em um ou mais componentes selecionados, tal como o sistema rotativo direcionável 30. No exemplo ilustrado, o sistema rotativo direcionável 30 é conectado a uma seção de corpo da broca 36 tendo uma broca de perfuração 38 girada por um eixo de broca de perfuração 40.

Dependendo do ambiente e dos parâmetros operacionais da operação de perfuração, o sistema 20 pode compreender uma variedade de outros recursos. Por exemplo, a coluna de perfuração 24 pode incluir comandos de perfuração 42, que, por sua vez, podem ser projetados para incorporar módulos de perfuração desejados, por exemplo, VK'

módulos de perfilagem durante a perfuração e/ou de medição durante a perfuração 44. Os sistemas de medição da deformação 34 também podem ser montados nos comandos de perfuração 42 e/ou em outros componentes da coluna de perfuração submetidos à deformação durante uma operação de perfuração.

Vários sistemas de superfície também podem fazer parte do sistema ilustrado 20. Por exemplo, uma plataforma de perfuração 46 pode ser posicionada acima do poço 26, e um sistema de fluido de perfuração 48, por exemplo, sistema de lama de perfuração, pode ser utilizado em cooperação com a sonda de perfuração 46. 0 sistema de fluido de perfuração 48 é posicionado para entregar um fluido de perfuração 50 proveniente de um tanque de fluido de perfuração 52. 0 fluido de perfuração 50 é bombeado através de tubos apropriados 54 e entregue para baixo através da sonda de perfuração 46 e para dentro da coluna de perfuração 24. Em muitas aplicações, o fluxo de retorno do fluido de perfuração flui de volta até a superfície através de um espaço anular 56 entre a coluna de perfuração 24 e a parede do poço circundante. O fluxo de retorno pode ser usado para remover detritos de perfuração resultantes da operação da broca 38. Forças associadas ao bombeamento do fluido de perfuração, perfuração do poço, aumento das temperaturas, e outros fatores, criam deformação em muitos dos componentes da coluna de perfuração, o que pode levar à deformação medida pelo(s) sistema(s) de medição de deformação 34.

0 sistema 20 também pode incluir outros componentes, como um sistema de controle de superfície 58. O sistema de controle de superfície 58 pode ser usado para receber e processar dados dos sistemas de medição de deformação 34. De acordo com uma modalidade do sistema de medição de deformação 34, um mecanismo amplificador de deformação 60, como um mecanismo complacente, é acoplado a um sensor de deformação 62 que retransmite dados de deformação para o sistema de controle 58. Além disso, o sistema de controle de superfície 58 pode ser usado para receber outros sinais e para transmitir sinais de controle / força ao fundo do poço. Em algumas modalidades, o sistema de controle de superfície 58 recebe e processa dados dos sistemas de medição de deformação no poço 34 e/ou outros sistemas de sensores para facilitar a comunicação dos comandos apropriados para o sistema rotativo direcionável 30, para controlar a velocidade e direção de perfuração durante a formação do poço 26.

Referindo-se geralmente à Figura 2, um exemplo de amplificador de deformação 60 é ilustrado, como montado sobre uma estrutura de referência/ componente de referência 64,- como a ferramenta 28. A modalidade ilustrada do amplificador de deformação 60 é um amplificador de deformação de única entrada, única saída, afixado ao _______componente de referência 64 em dois pontos de fixação 66.

Quando o amplificador de deformação 60 recebe uma entrada em um orifício de entrada 68, uma maior saída correspondente é causada no(s) orifício(s) de saída 70, e a saída é medida pelo sensor de deformação 62. 0 orifício de saída 7 0 se move a uma maior distância em relação a um comprimento de referência, do que o orifício de entrada 68 se move em relação ao mesmo comprimento de referência. Na modalidade específica ilustrada, o amplificador de deformação 60 é um mecanismo complacente 72. A título de exemplo, o mecanismo complacente 72 pode ser uma estrutura monolítica tendo membros flexíveis 74, que se estendem entre as extremidades de fixação 76. As extremidades de fixação 7 6 são presas ao componente de referência 64 nos pontos de fixação 66.

Quando o mecanismo complacente 72 é comprimido em uma primeira direção representada pela seta 78, o sensor de deformação 62 mede o movimento de saída em uma parte de dobradiça 80 dos membros flexíveis 74, como representado pela seta 82. O movimento dos membros flexíveis 74 (representado pela seta 82) é substancialmente maior do que o movimento de entrada (representado pela seta 78), resultante da deformação do componente de referência 64 em uma direção representada pela seta 84. Em outras palavras, o movimento de saída está a uma distância substancialmente maior do que o movimento de entrada causado pela deformação no componente de referência 64. Nesse exemplo particular, o movimento de saida 82 é geralmente perpendicular ao movimento de entrada 78, embora as direções relativas do movimento de entrada e de saida dependam da concepção do amplificador de deformação 60.

0 mecanismo complacente 72 tem juntas ativas 86, que melhoram a integridade e a resposta continua do mecanismo, mesmo quando submetido a movimentos muito pequenos. Esta característica melhora a capacidade de medir a deformação, em comparação com, por exemplo, mecanismos com juntas revolutas, que podem ter uma folga maior que o valor da deformação. Para fins de explicação, no entanto, a ação do mecanismo complacente 72 é representada esquematicamente na Figura 3, como um mecanismo com revoluta deslizante para facilitar a compreensão dos movimentos de entrada e de saída. Neste exemplo, o mecanismo amplificador de deformação 60 está em uma configuração inicial, em que a extremidade de fixação está em uma primeira posição representada pela linha 88, e os membros flexíveis estão em uma primeira posição representada pelas linhas 90. Sob deformação, o carregamento de compressão age contra o amplificador de deformação 60 em uma direção representada pela seta 92, para comprimir a extremidade de fixação a uma segunda posição representada pela linha 94. Esta ação faz com que os membros flexíveis sejam flexionados para dentro na parte

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_____ de dobradiça 80 representada pelas setas 96, até que os

membros flexíveis estejam em uma nova posição representada pelas linhas 98. O projeto do amplificador de deformação 60 garante que a distância de saída, representada pelas setas 96, seja substancialmente maior do que a distância de entrada causada pelo carregamento de compressão representado pela seta 92. Essa maior distância de saída fornece uma muito melhor relação sinal-ruído e permite a medição mais precisa e consistente da deformação no componente de referência 64.

Como ainda ilustrado na Figura 3, várias modalidades do amplificador de deformação podem utilizar mecanismos adicionais de amplificação 93, como representado por linhas tracejadas. Em algumas modalidades, o mecanismo 93 é composto por outro mecanismo complacente de amplificação da deformação, incorporado entre os orifícios de saída 70. 0 mecanismo 93 também pode incluir mecanismos adicionais, para repetir e melhorar a amplificação. Por exemplo, algumas modalidades compreendem uma pluralidade de amplificadores de deformação 60, 93, que podem ser em cascata, um com relação ao outro, para alcançar uma amplificação desejada. Dependendo do desenho da estrutura geral, o mecanismo 93 pode compreender amplificadores de deformação em cascata ou ligações entre os amplificadores em cascata. Na modalidade ilustrada na Figura 2, por exemplo, amplificadores de deformação adicionais 60 podem ____ ser em cascata e incorporados para amplificar deformações

ou deslocamentos, enquanto mudando outras propriedades mecânicas dos amplificadores de deformação, por exemplo, mudando as freqüências de ressonância ou espaço ocupado dos amplificadores de deformação.

Geralmente, os erros de deformação estão relacionados ao valor da deformação induzida. Na prática, maiores deformações reduzem os erros ambientais, que podem afetar a medição das deformações nas mesmas condições. Em outras palavras, a amplificação física da deformação, que ocorre em um componente, reduz os efeitos de possíveis erros. Através da ligação do mecanismo complacente 72 entre dois pontos no componente 74, a deformação no componente 64 é inserida no mecanismo complacente 72 por meio de seu orifício de entrada. 0 projeto de mecanismo complacente 72 causa elevado movimento em um orifício de saída, que corresponde matematicamente ao menor movimento no orifício de entrada. Essa maior saída é mais facilmente medida e reduz o efeito de erro. 0 amplificador de deformação 60 pode ter uma

variedade de formas, dependendo do ambiente, aplicação e outras considerações de projeto. Em muitas aplicações, o amplificador de deformação 60 pode ser construído como um mecanismo de quatro barras, tal como o mecanismo representado nas Figuras 4 e 5. Na Figura 4, o mecanismo de quatro barras é ilustrado esquematicamente como fixo nos pontos 66 e como tendo barras a, b, c, d de comprimento fixo, que proporcionam ângulos α e β entre as barras b, c e d, c, respectivamente. Os ângulos e comprimentos de barra podem ser usados para calcular a relação entre uma entrada relativa à barra b e a saida resultante na barra d.

Na Figura 5, um mecanismo de ligação de quatro barras semelhante 100 é ilustrado como tendo barras 102, 104, 106 e 108 ligadas por dobradiças/ juntas ativas 86 para formar o mecanismo complacente 72. As juntas ativas 8 6 só permitem que o mecanismo complacente 72 "rode" através de um ângulo especifico, antes de atingir o limite elástico do material, mas isso geralmente não é uma preocupação, porque as deformações são de deslocamento relativamente pequeno. Um exemplo do deslocamento relativamente pequeno causado pela deformação é fornecido pelo contorno/ esboço 110, que representa a posição original do mecanismo complacente 72, antes de experimentar uma entrada de deformação no orifício de entrada 68, como representado pela seta 112. A entrada provoca uma saída substancialmente maior no orifício de saída 70, como representado pela seta 114. Em muitas aplicações, o mecanismo complacente 72 pode ser projetado de tal forma, que a distância movida no orifício de saída 70 seja quase o dobro (ou até maior), que a distância percorrida no orifício de entrada 68, como resultado da deformação no componente 64.

Referindo-se geralmente à Figura 6, o movimento de saída (e, portanto, a deformação) pode ser medido por uma variedade de sensores posicionados em vários locais. A título de exemplo, um sensor de deformação 116 pode ser montado diretamente sobre o mecanismo complacente 72 em uma das juntas ativas 86, para detectar a flexão. Em outra modalidade, um sensor de deformação 118 pode ser montado entre elementos do mecanismo complacente 72, por exemplo, entre os membros flexíveis 74, ou entre barras do mecanismo de quatro barras 100, conforme ilustrado na Figura 6. Em outra modalidade, um sensor de deformação 120 pode ser conectado entre pontos de ancoragem no mecanismo complacente 72 e uma estrutura estacionária 122 (por exemplo, uma parte do componente 64). Os sensores de deformação 116, 118 e 120 são versões do sensor de deformação 62, e podem ser usadas individualmente, ou em cooperação para medir o movimento de saída do mecanismo complacente 72, que resulta da deformação no componente de referência 64.

Na Figura 6, elementos esquemáticos circulares são usados para representar os pontos de fixação 66, nos quais o mecanismo complacente 72 é afixado ao componente de referência 64. No exemplo ilustrado, o deslocamento de saída no orifício de saída 70 é apenas cerca de duas vezes maior que o deslocamento de entrada no orifício de entrada 68, no entanto, a amplificação da deformação é de cerca de 15.000 vezes. A razão para a substancial amplificação da deformação é a curta distância entre os pontos de ancoragem 66. Assim, algumas aplicações empregam materiais para formar o mecanismo complacente 72, que são mais elásticos do que o material do componente de referência 64, para garantir que o material do mecanismo complacente não atinja seu limite elástico.

Em uma construção do mecanismo complacente 72 ilustrada nas Figuras 5 e 6, a distância de entrada representada pela seta 112 é de 0,58 milímetros, e a distância de saida representada pela seta 114 é de 1,00 mm, mas a amplificação de deformação é superior a 15.000 vezes. Note-se que os valores fornecidos são apenas para explicação, e os valores reais da distância de entrada, distância de saída, e amplificação de deformação, podem variar substancialmente, dependendo do desenho do mecanismo complacente 72. No exemplo particular ilustrado, o cálculo da deformação no orifício de entrada 68 e no orifício de saída 70 pode ser calculado, de acordo com as seguintes equações:

£in = ALin/Lin = 0,58 mm/ 317,6 mm = 1, 826 mm/m; 8out = ALout/Lout = 1,00 mm/ 36, 46 mm = 27,43 mm/m; e ^out/Sin = 15.018,8, onde:

AL in = Deformação de Referência (devido à carga) ALout = Translação Complacente

Lin = Comprimento Sustentável (o corpo carregado) L0Ut = Comprimento Transformado ε OUt Deformação de Saída = AL0ut/L0Ut ε±η = Deformação Real = ALin/Lin D = Ganho de Deformação = ALoutMLin

E = Sout/Sin = Ganho de deformação = (ALout χ Lin)/ (Lout χ ALin) = D X Lin/Lout

Devido à grande amplificação mecânica da deformação, uma variedade de sensores e tecnologias de medição pode ser empregada para medir e monitorar a deformação em muitos tipos de componentes 64. Por exemplo, transdutores diferenciais de relutância variável (DVRTs) podem ser empregados para detectar e monitorar deformação.

Referindo-se geralmente à Figura 7, um exemplo esquemático é fornecido de outro tipo de amplificador de deformação 60, que demonstra um método de translação pura. Nesse exemplo, o ganho de deformação E é igual a Lin/Lout, e a amplificação é conseguida sem mecanismos complacentes. Na prática, um objetivo seria maximizar o ganho de deformação Dea relação Lin/Lout. Após a aplicação de uma carga de entrada, como representado pelas setas 124, deslocamentos de entrada e saída são iguais, mas o ganho de deformação é ampliado, porque o comprimento transformado (Lout) é menor que o comprimento sustentável (Lin) .

Outro exemplo específico pode ser explicado com referência à Figura 8, que fornece uma ilustração esquemática do mecanismo complacente 72 geralmente na forma _ _ acima descrita na Figura 2. Nesse exemplo, o mecanismo complacente 72 é fixado nos pontos 66 ao componente de referência 64, e a deformação amplificada é medida na parte da dobradiça 8 0 em uma direção geralmente horizontal em relação à Figura 8. Para efeitos desse exemplo, o ponto de fixação superior pode ser considerado estacionário, e o ponto de referência inferior 66 é transladado para cima, devido à compressão do mecanismo complacente 72, quando 64 o componente é submetido à deformação. Para facilitar a compreensão da função do mecanismo

complacente 72, valores reais são usados no exemplo a seguir, mas esses valores são apenas exemplos, e os movimentos de entrada e de saida podem variar substancialmente, dependendo do tamanho, materiais, e configuração do mecanismo complacente 72. Nesse exemplo especifico, a extremidade inferior do mecanismo complacente 72 e seu ponto de fixação inferior 66 são transladados para cima a uma distância de deformação de 0,04 milímetros de sua posição original representada pelo contorno/ esboço 126. Devido a essa deformação de entrada, uma deformação de saida de 0,094 mm é experimentada na parte de dobradiça 80 de cada membro flexível 74 em relação à sua posição original representada pelo contorno/ esboço 128. A junta de dobradiça ativa ou nó 8 6 de cada membro flexível 74 se move 0,094 milímetros, resultando em uma deformação total de 0,184 milímetros. Consequentemente, o ganho de deformação D é igual a 0,184/0,04 ou 4,6. A. deformação fisicamente amplificada reduz substancialmente a relação sinal-ruido e melhora substancialmente a capacidade de medir e monitorar a deformação no componente correspondente 64.

Em muitas aplicações e ambientes, o mecanismo complacente 72 (ou outro tipo de amplificador de deformação 60) pode ser submetido à substancial vibração. Em aplicações de perfuração de poços, por exemplo, comandos de perfuração e outros componentes, que podem ser submetidos à deformação, podem experimentar substancial vibração. Geralmente, a faixa de vibrações não deve exceder a menor freqüência de ressonância do mecanismo complacente 72. Uma análise modal pode ser executada, para determinar uma largura de banda operacional adequada do amplificador de deformação 60. Uma vez que a freqüência de ressonância é determinada, como sendo de certo valor, então as mensurações próximas a essa freqüência podem ser evitadas. Deve-se observar, que a freqüência de ressonância não tem nada a ver com a freqüência de amostragem do sensor de deformação 62, que pode ser tão alto quanto necessário para reconstruir o sinal. Às vezes, a freqüência de ressonância pode ser ajustada, por exemplo, aumentando a largura de face dos elementos de flexão (por exemplo, membros flexíveis 74) para mudar a freqüência de ressonância para cima e, assim, aumentar a faixa de operação.

O problema associado à freqüência de ressonância também pode ser reduzido ou eliminado através do aumento do amortecimento do sistema de amplificação de deformação. Por exemplo, um elemento de amortecimento 130 pode ser utilizado em cooperação com o mecanismo complacente 72, para evitar oscilação ressonante, embora o mecanismo de amortecimento possa causar uma resposta mais lenta do sistema. Na modalidade ilustrada na Figura 9, o elemento de amortecimento 130 compreende um liquido 132, por exemplo, óleo, colocado em uma câmara ventilada 134 de uma célula de carga embalada 136. O liquido 132 serve para amortecer o mecanismo complacente 72 e, assim, evitar oscilações de ressonância indesejadas do mecanismo complacente. Nesse exemplo, cada extremidade de fixação 7 6 do mecanismo complacente 72 é afixada a uma porção de fixação correspondente 138 da célula de carga 136. A célula de carga 136 é firmemente agarrada ao componente de referência 64 em dois pontos por meio de prendedores apropriados 140, tais como parafusos, ou soldagens.

Referindo-se geralmente à Figura 10, o componente de referência 64 pode incluir um ou mais dos comandos de perfuração 42, sistema rotativo direcionável 30, ou outro componente adequado da coluna de perfuração. Na modalidade ilustrada, o amplificador de deformação 60 é mostrado por linhas fantasmas dentro da bolha 142, que representa o posicionamento do amplificador de deformação 60 dentro do comando de perfuração 42. Por exemplo, o mecanismo complacente 72 pode ser montado ao longo de uma passagem interna de fluxo 144 do comando de perfuração 42. Outros componentes associados, como o sensor de deformação 62 e os eletrônicos correspondentes 14 6, também podem ser montados nesta posição interior. Em algumas aplicações, os componentes podem ser combinados em uma célula de carga embalada semelhante à célula de carga embalada 136, e adequadamente montados dentro do comando de perfuração ou outro componente 64.

Uma modalidade alternativa é ilustrada na Figura 11, em que o amplificador de deformação 60 é montado ao longo de uma superfície externa 148 do comando de perfuração 42. Neste exemplo, o amplificador de deformação 60 também pode ser construído em uma variedade de formas. No entanto, uma modalidade emprega o mecanismo complacente 72 montado dentro da célula de carga embalada 136, similar à célula de carga embalada, ilustrada na Figura 9. A deformação experimentada pelo comando de perfuração 42 atua sobre a célula de carga 136 e, portanto, sobre o mecanismo complacente 72 para criar o movimento de deformação amplificada, como descrito acima.

Dependendo dos parâmetros de uma determinada aplicação e/ou ambiente, o amplificador de deformação 60 pode ser construído com vários tipos de mecanismos complacentes 72. Em uma modalidade alternativa, o mecanismo complacente 72 incorpora uma pluralidade de orifícios de saída 70, que podem ser acoplados a um ou mais sensores de deformação 62. Por exemplo, a pluralidade de orifícios de saída 70 pode ser usada em braços correspondentes de uma ponte de Wheatstone 150, conforme ilustrado na Figura 12. No exemplo específico ilustrado, os orifícios de saída 70 são formados por partes de dobradiça correspondentes 80 de uma pluralidade de pares de membros flexíveis 74, que se estende entre as extremidades de fixação 76. A saída amplificada, representada pelas setas 82, pode ser detectada pela ponte de Wheatstone 150, ou por outros sensores de deformação adequados, capazes de detectar o movimento entre os membros flexíveis 74, quando o mecanismo complacente 72 é submetido a uma entrada induzida por deformação 78, que muda a distância entre os pontos 66. 0 movimento amplificado ocorre na porção de dobradiça 80 dos pares de membros flexíveis e entre os membros flexíveis de pares adjacentes, como indicado pelas setas 82.

Em outra modalidade, o mecanismo complacente 72 é construído como um pantógrafo 152, como ilustrado na Figura 13. Nessa modalidade, o mecanismo complacente 72 (pantógrafo 152) é afixado ao componente correspondente 64 em uma pluralidade dos pontos 66 através de, por exemplo, soldagem, parafusos, ou outro tipo de técnica de fixação. A título de exemplo, os pontos afixados 66 podem incluir vários pontos afixados, por exemplo, quatro, prendendo uma estrutura 154 do pantógrafo 152 ao componente 164. Os pontos afixados 66 também compreendem um ponto fixo adicional, prendendo um mecanismo de ligação de várias barras 156 ao componente 64. A modalidade ilustrada na Figura 13, à semelhança de outras modalidades descritas acima, pode ser fabricada como um sistema micro- eletromecânico (MEMS) afixado em dois pontos, que servem como orifício de entrada, por exemplo, o orifício de entrada 68. 0 dispositivo MEMS pode ser montado no componente correspondente 64, por exemplo, por soldadura ou parafusos. Além disso, o dispositivo MEMS pode ser hermeticamente fechado.

0 mecanismo de ligação de várias barras 156 compreende uma pluralidade de barras 158 acopladas entre si em dobradiças, como as juntas ativas 86. A ligação de várias barras 156 também é conectada de modo flexível à estrutura 154, como ilustrado. 0 orifício de entrada 68 pode efetivamente inserir a deformação do componente 64 em uma variedade de direções, e o orifício de saída 70 se situar entre o mecanismo de ligação de várias barras 156 e a estrutura 154. A deformação amplificada é detectada no orifício de saída 70, pelo movimento relativo de uma barra estendida da ligação de várias barras 156 relativa à estrutura 154, como indicado pelas setas 160. Assim, os orifícios de saída 70 podem ser utilizados para várias saídas em diferentes direções, por exemplo, deformações de cisalhamento e deformações axiais. Nesse exemplo, vários tipos de sensores e/ou múltiplos sensores podem ser montados entre o mecanismo de ligação de várias barras 156 a estrutura 154, por exemplo, nas posições das setas 160 para isolar os dois eixos de medidas.

Como aqui descrito, o amplificador de deformação 60 pode ser adaptado para uso em uma variedade de ambientes e com muitos tipos de componentes correspondentes. Além disso, o tamanho, materiais e configuração especifica do mecanismo complacente 72 podem variar de uma aplicação para outra. Na determinação do tipo de amplificador de deformação 60/ mecanismo complacente 72 a ser empregado em uma determinada aplicação, uma primeira análise pode ser realizada. Vários tipos de análises são úteis para determinar o tipo e projeto do mecanismo complacente 27.

De acordo com uma abordagem para seleção de um amplificador de deformação 60/ mecanismo complacente 72 adequado, as entradas para o mecanismo complacente 72 resultantes da deformação do componente 64 são inicialmente modeladas em termos de valor e tipo de deformação. Posteriormente, um alvo para a deformação de saida mensurável é definido. Isso permite que o mecanismo complacente 72 seja projetado com ganho de deformação D suficientemente preciso (possa ser ditado pelo processo de fabricação). Os orifícios fixos são, então, definidos para a entrada e, se necessário, para a saída, de modo que a deformação de saída possa ser calculada. ______________________________________________________'^^m^^MMs^m^^à _____„; " ' 28

.................Posteriormente, uma análise de elementos finitos

pode ser realizada, para garantir a integridade do mecanismo complacente e avaliar critérios de fadiga. Uma análise modal também pode ser executada, para garantir uma adequada largura de banda e determinar se é conveniente introduzir amortecimento ou alterar relações de aspecto dos elementos do mecanismo complacente. Análise térmica também pode ser realizada, nos casos em que o mecanismo complacente 72 for projetado para compensação de temperatura. Por exemplo, se o mecanismo complacente 72 for feito de um material, que se expanda mais do que o material base do componente 64, análise térmica pode ser usada para calibrar, ajustar ou modificar adequadamente o mecanismo complacente.

Várias técnicas podem ser empregadas para

selecionar/ criar um mecanismo adequado para medição de deformação e/ou deslocamento. Em uma abordagem geral, os requisitos de medição (por exemplo, resolução, precisão, largura de banda) são inicialmente examinados. 0 perfil de carregamento (por exemplo, faixa, cargas) é, então, determinado, juntamente com as condições ambientais (por exemplo, vibração, temperatura, pressão). Com base nessa análise inicial, um sensor de deformação/ deslocamento é selecionado e emparelhado com o(s) mecanismo(s) de amplificação adequado(s) 60. O sensor e mecanismo de amplificação são, então, testados para determinar a ______ aceitabilidade dos vários parâmetros do sistema e/ou os

efeitos das condições ambientais. Tais parâmetros podem incluir resposta, durabilidade e vibração. 0 sensor e sistema de amplificação também podem ser calibrados para acomodar parâmetros adicionais, tais como temperatura, pressão e ressonância. Se os testes forem bem sucedidos, o sensor e sistema de amplificação podem ser implementados em uma determinada aplicação; caso contrário, um sensor alternativo é selecionado e novamente testado. O sistema para amplificação física/ mecânica da

deformação medida pode ser projetado em várias configurações, auxiliando na medição da deformação em muitos tipos de componentes. Os materiais empregados são selecionados, de acordo com o ambiente, aplicação, e fatores ambientais, a que o componente submetido à deformação está sujeito. Além disso, o mecanismo complacente pode ter várias formas, com diversos membros flexíveis conectados por juntas ativas, ou outros tipos de juntas, para permitir a criação de uma deformação de saída substancialmente maior, com base em uma menor deformação de entrada resultante da deformação de um componente correspondente. A maior deformação de saída pode ser medida por um ou mais sensores de uma variedade de tipos e estilos. Além disso, os dados de deformação podem ser transmitidos a um ou mais sistemas de processamento destinados a processar, analisar e emitir dados úteis para avaliar a deformação e os efeitos da deformação sobre um ou mais componentes utilizados em uma determinada aplicação. Além disso, uma variedade de cabos, linhas de comunicação, tubos de perfuração com fio, técnicas sem fio, e outras técnicas de transmissão, pode ser utilizada para transmitir os dados de deformação poço acima para o sistema de processamento.

Assim, embora apenas poucas modalidades da presente invenção tenham sido acima descritas em detalhes, as pessoas com habilidade comum na arte irão facilmente perceber que muitas modificações são possíveis, sem se afastarem materialmente dos ensinamentos da presente invenção. Tais modificações se destinam a ser incluídas no âmbito dessa invenção, tal como definido nas reivindicações.

Claims

1. SISTEMA PARA FACILITAR A PERFURAÇÃO DE UM POÇO, caracterizado pelo fato de compreender: componente de perfuração acoplado a uma coluna de perfuração instalada para perfurar um poço; mecanismo complacente montado no componente de perfuração, o mecanismo complacente com um orifício de entrada, ligado diretamente ao componente de perfuração para se mover, quando o componente de perfuração sofre uma deformação, e um orifício de saída, que se move a uma maior distância com relação a um comprimento de referência do que o orifício de entrada, em resposta ao movimento do orifício de entrada em relação ao mesmo comprimento de referência; e sensor acoplado ao orifício de saída para detectar o movimento do orifício de saída e, assim, a deformação ou deslocamento.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do mecanismo complacente ser um mecanismo de ligação de quatro barras.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do mecanismo de ligação de quatro barras ser monolítico.

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do mecanismo complacente ser fixado ao componente de perfuração em dois pontos, que servem como orifício de entrada.

5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do mecanismo complacente incluir um par de membros flexíveis, que funcionam como orifício de saída e se flexionam na maior distância, quando o componente de perfuração sofre deformação, que muda a distância entre os dois pontos, nos quais o mecanismo complacente é afixado ao componente de perfuração.

6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do par de membros flexíveis se flexionar na maior distância em uma direção geralmente perpendicular à direção do movimento relativo entre os dois pontos.

7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do mecanismo complacente ser afixado ao componente de perfuração em dois pontos, que servem como a parte de entrada, e no qual o membro complacente compreende uma pluralidade de pares de membros flexíveis, que atuam como orifício de saída.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do orifício de saída de cada par de membros flexíveis ser conectado em uma ponte de Wheatstone.

9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um elemento de amortecimento agindo em cooperação com o mecanismo complacente para evitar oscilação ressonante do mecanismo complacente.

10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do mecanismo complacente ser na forma de um pantógrafo afixado ao componente de perfuração em uma pluralidade de pontos.

11. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do componente de perfuração ser um comando de perfuração.

12. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do mecanismo complacente ser fabricado como parte de um sistema micro-eletromecânico afixado em dois pontos servindo como orifício de entrada.

13. MÉTODO PARA FACILITAR A PERFURAÇÃO DE UM POÇO, caracterizado pelo fato de compreender: fornecimento de um mecanismo complacente, que provoca uma saída mecanicamente amplificada com base em uma entrada mecânica; montagem do mecanismo complacente em um componente de perfuração, de forma que a deformação do componente de perfuração forneça a entrada mecânica ao mecanismo complacente; e detecção da saída mecanicamente amplificada do mecanismo complacente, que resulta da entrada mecânica devido à deformação do componente de perfuração.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato do fornecimento compreender a provisão de um mecanismo complacente monolítico, que ....... provoca a saída mecanicamente amplificada por meio de membros flexíveis, que flexionam a uma maior distância do que a entrada mecânica, quando a entrada mecânica é fornecida por compressão do membro complacente sob deformação do componente de perfuração.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato da montagem compreender a fixação do mecanismo complacente ao componente de perfuração em um par de pontos de conexão, de tal forma que a deformação do componente de perfuração provoque a entrada mecânica, alterando a distância entre os pontos de conexão.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato do fornecimento compreender a provisão de um mecanismo complacente, que provoca a saída mecanicamente amplificada em dois ou mais locais no mecanismo complacente.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato da montagem compreender a montagem do mecanismo complacente em um comando de perfuração.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato do fornecimento compreender a provisão de pelo menos um mecanismo complacente amplificador de deformação adicional embutido entre os orifícios de saída do mecanismo complacente.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato do fornecimento compreender a provisão de pelo menos um mecanismo complacente amplificador de deformação adicional em cascata para o mecanismo complacente.

20. SISTEMA PARA MEDIR A DEFORMAÇÃO EM UMA APLICAÇÃO DE POÇO, caracterizado pelo fato de compreender: componente de poço; amplificador de deformação montado no componente de poço, onde a deformação no componente de poço provoca uma distorção de entrada do amplificador de deformação, a distorção de entrada criando uma maior distorção de saida do amplificador de deformação em relação à distorção de entrada; e sensor colocado em comunicação com o amplificador de deformação para medir a maior distorção de saida.

21. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato do componente de poço compreender um componente da coluna de perfuração.

22. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato do amplificador de deformação ser um mecanismo complacente de peça única.

23. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato da distorção de entrada ser um movimento linear em uma primeira direção, e da distorção de saida ser um movimento linear em uma segunda direção.

24. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato do amplificador de deformação compreender uma pluralidade de barras interligadas com uma pluralidade de dobradiças ativas e sem dobradiças revolutas.