PERFURAÇÃO de POÇOS DIRECIONAIS e HORIZONTAIS – Parte 2
Professor: Rafael Castro Msc. Engenharia de Petróleo (UNICAMP) Engº de Petróleo (Petrobras)
Email: [email protected] Tel.: (79) 9127-3354 / (79) 3212-2244
Campina Grande, Maio de 2015
Agenda
1 – Introdução & Conceitos 2 - Planejamento Direcional 3 – BHA Direcional
4 – Equipamentos para Perfuração Direcional e de Registro da Trajetória
5 – Operação e Acompanhamento (Boas Práticas &
Tópicos Especiais)
Principais Componentes
• Principais componentes da coluna
• Drill Pipe (DP) - Tubos
• Heavy Weight Drill Pipe (HW)
• Drill Collar (DC) – Comandos
• Outros componentes importantes
• MWD, LWD, PWD
• Drilling Jar (DJ)
• Estabilizadores
• Sub’s, Float collar, Alargador etc
• Brocas
BHA (Bottom Hole Assembly)
• É a composição de fundo da coluna de perfuração, da broca até os Heavy Weights (HW’s);
• Contribuem no:
–Peso e Rotação da Broca –Direcional do Poço
–Segurança e integridade da coluna, com equipamentos que evitam prisão e desgastes dos componentes
–Informações sobre o poço durante a perfuração (MWD, PWD e LWD)
• Principais componentes:
–Broca
–Motor de Fundo, MWD, LWD –Drilling Jar (DJ)
–Sub’s (adaptadores com funções diversas) –Comandos, HW’s, Estabilizadores etc
Tubo de perfuração (Drill Pipes)
• São tubo metálicos e flexíveis, que possuem as seguintes funções na Perfuração:
–Transmitir rotação à broca
–Conduzir a lama de perfuração em seu interior –Comunicar a MR aos componentes de fundo (BHA –
Bottom Hole Assembly)
• Diâmetros usuais: 5”, 4 ½” e 3 ½”;
• Peso Linear: cerca de 19 Lb/Pé;
• São utilizados como coluna de trabalho para descida de:
–Revestimentos no Mar
–Equipamentos de Pescaria, Teste de Formação, Testemunhagem etc
–Coluna com extremidade aberta (pata de mula) para realização de tampões de cimento
Tubo de perfuração (Drill Pipes)
• Em geral, não devem trabalhar sob compressão, apenas tracionados, pois são muito flexíveis;
• Nesses casos, portanto, não contribuem com peso sobre a broca;
• Pode trabalhar sob compressão limitada em alguns casos particulares:
–Em fases de pequeno diâmetro, onde a flambagem é limitada pela parede do poço –Em trechos de grande inclinação (horizontal ou
próximo), onde a gravidade ajuda a limitar a flambagem
• Em poços de grande extensão, pode-se utilizar DP’s com diâmetros maiores (5 ½”, 6 5/8”) para amenizar as perdas de carga no sistema (pressão de circulação).
Pino
Caixa
Heavy Weight Drill Pipe (Tubos pesados)
• São tubo metálicos e semi-rígidos, que possuem as seguintes funções:
–Transmitir rotação à broca
–Conduzir a lama de perfuração em seu interior –Promover PSB (depende do diâmetro do poço)
–Evitar uma passagem brusca de rigidez entre os DP’s e DC’s, pois tem rigidez intermediária
• Possui o mesmo diâmetro externo dos DP’s, porém com diâmetro interno menor (maior espessura de parede);
• Pesos usuais: 25,3 - 49,3 Lb/pé
• Possuem reforço (upset) no centro do tubo
Drill Collars (Comandos)
• São tubo metálicos e rígidos, que possuem as seguintes funções:
–Transmitir rotação à broca
–Conduzir a lama de perfuração em seu interior –Promover PSB (peso sobre broca)
–Interferir na trajetória do poço
• Diâmetros usuais: 9”, 8 ¾”, 7”, 6 ¾” etc;
• Por serem robustos (parede espessa), podem trabalhar comprimidos, transmitindo PSB;
• Podem ser de dois tipos quanto à textura externa:
–Lisos
–Espiralados (importante para evitar prisão de coluna por diferencial de prisão)
Comando Espiralado Comando Liso
K-MONEL
É um tipo de DC não magnético (Non Magnetic Drill Collar - NMDC), cuja finalidade é alojar equipamentos de leitura magnética para medições direcionais.
Estabilizadores
• São elementos tubulares da coluna de perfuração que apresentam as seguintes funções:
– Estabilizar o BHA – Controlar a trajetória do
poço
– Centralizar os Comandos no centro do poço e reduzir vibração lateral e desgaste – Prevenir prisão por
diferencial de pressão
Estabilizadores
A posição dos estabilizadores determinam o comportamento da coluna.
De maneira geral um estabilizador perto da broca tendem a fazer a coluna ganhar ângulo (coluna alavanca), já estabilizadores longe tendem a fazer a coluna perder inclinação (coluna pêndulo), mas colunas com muitos estabilizadores tendem a manter a inclinação (coluna empacada)
• Ferramentas Defletoras – Motor de Fundo
– RSS (Rotary Steerable System) – Turbinas
– Outros equipamentos e técnicas (jateamento, calhas defletoras etc...)
• Ferramentas de Medição e Acompanhamento – MWD, LWD
– Equipamentos Magnéticos e Gravitacionais
Ferramentas Defletoras
Técnicas para direcionar o poço
WHIPSTOCK
Método para desviar o poço da direção vertical a partir de calha defletora
• É um dos equipamentos mais utilizados para direcionamento do poço devido:
– Longo histórico de utilização (desde anos 60) – Desenvolvimento tecnológico para uma grande
range de aplicações
– Alta capacidade de gerar desvios (Doglegs) – Baixo Custo
– Grande disponibilidade de equipamentos e operadores
Motor de Fundo Motor de Fundo
The motor acts as a power transducer, converting hydraulic energy into mechanical energy
Pumps Standpipe
Kelly Hose Gooseneck
Swivel Kelly
Drill String
MOTOR Bit
Tanks
• É um equipamento formado por um motor do tipo PDM (Positive Displacement Motor) atuando em conjunto com uma ferramenta defletora (Bent Sub)
• O motor de fundo é um motor hidráulico conectado logo acima da broca e movimentado pelo fluxo de fluido de perfuração que circula em seu interior
• Tem como função transmitir rotação e torque a broca sem necessidade de girar a coluna de perfuração
• Sistema SS Steerable System: Motor PDM + Bent Housing Ajustável
Motor de Fundo
Motor de Fundo (MF)
• Equipamento que permite o direcionamento do poço através da Tool Face;
• Utiliza a vazão de fluido para rotacionar a broca,
mantendo a coluna acima dele estacionária;
• Conjunto Rotor x Estator:
Quanto maior o número de lóbulos, Maior o Torque e a Pressão de bombeio.
Quanto menos lóbulos, Maior a Rotação.
Motor de Fundo (MF)
• O MF tem limites máximos e mínimos de vazão de fluido para funcionar;
• Quando comprimido, o ∆P do MF aumenta, podendo atingir o seu limite máximo de trabalho a compressão (stall), ocasionando sua “Stolagem”, podendo levar ao dano permanente;
• Constante (razão) do MF, em Revoluções por galão:
– Rotação da broca = C x Q (vazão, em gpm) – Ex.1: Qual a rotação de uma broca com MF a uma
vazão de 500 gpm, se a constante é 0,25?
– Ex.2: Neste caso acima, qual a rotação total da broca,
se a MR também gira, a 50 RPM?
Rotary Drilling Rotary Drilling (with string rotation) for drilling of straight/
tangents sections Oriented Drilling
Oriented Drilling (without string rotation) for drilling of curves
Motor de Fundo - Seções
Se encontra na seção da transmissão. Permite o ajuste do ângulo do motor geralmente de 0 a 3°.
Bent Housing Ajustável Ângulo do Bent Housing Vs
Capacidade de DogLeg
Seção de Potência: Rotor & Estator
• A diferença entre o número de lóbulos do rotor e estator resulta em um movimento excêntrico do rotor em relação ao eixo central do estator
• Rotor: material metálico
• Estator: elastômero (depende do fluido de trabalho)
• O Torque do MF está relacionado com o número de Estágios
• A vazão em função do número de lóbulos (razão rotor/estator)
– MF Low Speed (Alto Torque) – 8/7; 7/6; 6/5 – MF Medium Speed (Médio Torque) – 5/4; 4/3 – MF High Speed (Baixo Torque) – 3/2; 2/1
Seção de Potência: Rotor & Estator
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Tipos de Motores Halliburton
Cálculo Dogleg (BUR) – Teoria dos
pontos de Contato Ajuste do Fit
Procedimento:
- Medir diâmetro do rotor e estator -Input:
-Temperatura de fundo do poço - Diâmetros rotor e estator - Tipo de fluido (inchamento do Estator) - Ajuste do fit através do software
- Para poços alta temperatura: deixar um Fit folgado
Estator Convencional Estator “Even Wal” ou com
espessura constante de elastômero
Convencional x Even Wall
Características Convencional:
- Maior versatilidade no número de lóbulos - Maior capacidade de expansão da
borracha
- “Fit” ajustável para a temperatura do poço pelo estator (borracha)
- Maior chance de desgaste e ruptura
Características Even Wall:
- Melhor operação em ambientes HT - “Fit” ajustável para temperatura do poço
pelo rotor
- Maior dissipação de calor - Maior capacidade de torque - Atentar para o diferencial de pressão
1 Stage
1/2 Stage
5
5
Lower Speed
Higher Speed
Os dois rotores ao lado têm perfis idênticos e mesmo número de lóbulos mas diferem no comprimento da seção.
Estágios mais compridos e longos giram menos (menor velocidade);
Estágios mais curtos (lóbulos mais inclinados) permitem mais velocidade
Geometria do Lóbulo
Curva Característica do Motor
- Acima do máximo de pressão diferencial, ocorre perda (vazamento) do fluido entre o selo rotor/ estator que formam as cavidades e a rotação/
torque aplicados à Broca diminuem. Quando essa pressão diferencial se eleva, produz um efeito chamado Stall, ou seja, o rotor perde o movimento de rotação.
Stall do MF
ROLAMENTOS
• NÃO SELADO – LUBRIFICADO PELO FLUIDO DE PERFURAÇÃO
• SELADO(BLINDADO) – LUBRIFICADO COM ÓLEO
- Rolamentos lubrificados pelo by-pass do fluido de perfuração;
- Deve-se calcular uma hidráulica otimizada de acordo com a operação.
- Contra-pressão em torno de 200 psi -Otimização de hidráulica com jatos -5% a 8% do fluido não passa pela broca
ROLAMENTO NÃO SELADO
Inspeção da folga dos rolamentos
Este procedimento deve ser realizado antes e após a corrida.
Caso a folga seja excessiva (maior que o permitido pelo fabricante), recomenda-se a substituição do motor e enviar o danificado para manutenção.
Inspeção da folga dos rolamentos
A energia produzida pelo rotor/estator é transmitida ao eixo de saída do motor através de um eixo com acoplamentos flexíveis. Este eixo articulado é chamado de “eixo universal” ou “eixo flexível”. A função principal dele é eliminar o movimento excêntrico do rotor e transmitir um movimento concêntrico ao eixo de acionamento da Broca.
Eixo de Transmissão Falhas da power section
Histerese do elastômero: ocorre devido a geração interna de calor devido ao ciclos de compressão e descompressão do mesmo pelo trabalho do rotor.
Falhas da Power Section
Ataque devido ao gás Ataque devido ao fluido de perfuração.
Falhas da Power Section
• São basicamente de 2 tipos:
– Push the bit
• A coluna é forçada na direção desejada pela atuação de Pads que se projetam colidindo com as paredes do poço
• Sua eficácia depende da qualidade das paredes do poço:
poços arrombados, lavados e friáveis dificultam a geração de DogLegs
– Point the bit
• A broca é apontada na direção desejada no fundo do poço devido a atuação de um eixo dobrável
• Mais eficiente que o sistema Push the bit pois não depende da qualidade das paredes do poço
RSS – Rotary Steerable System RSS – Push The Bit
RSS – Push The Bit Ex: PowerDrive
Control Shaft
Disk Valve
RSS – Point The Bit
RSS – Point The Bit RSS – Point The Bit
Point the Bit (Ex: GeoPilot)
Posição Neutra
Deflexão Máxima
Deflexão Intermediária
Brocas Fulldrift - Vantagens
Long gauge bits deliver better quality boreholes
Point-the-bit RSS use long gauge bits Longer bit profile results in better hole quality and reduced vibration.
Geo-Pilot Fulldrift Bit Profiles
Sistema de Controle do RSS Usado para controlar o Geo-Pilot™ durante a
perfuração, transmitindo pulsos de pressão através da coluna de fuido, definindo a Tool Face e deflexão da ferramenta.
• Totalmente compatível com a telemetria do LWD / MWD (pulso bi- direcional simultâneo)
• Cria pulsos negativos no stand pipe
• Permite alterar a Tool Face e o DLS sem parar a perfuração
• Sistema mais rápido do mercado
Eccentric Ring Assembly
New lower oldham coupling Clutch Plates Upper oldham coupling
Upper Clutch
Upper High Speed Position Sensor Harmonic Gear
Home Sensors Hubs
Lower Taper Lock Ring LWD LWD
Rotary Steerable
High Side
Steering Vector Direction
Magnitude High Side
Steering Vector Direction
Magnitude PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO AUTOTRAK
Equipamentos para registro Direcional
O survey é usado para definir um ponto no espaco, que no caso da perfuração, é usado para definir um ponto ao longo da trajetoria de um poco
O survey é definido por:
• Profundidade Medida
• Inclinação
• Azimute
Ferramentas para Medição Direcional
• Totco: Mede apenas a inclinação (Inclinômetro)
• Single Shot Magnético (SSM):
–Indica inclinação, direção (bússola magnética) e face da ferramenta (tool face)
–Comando Não-magnético (K-monel) –Descido a cabo no poço ou lançado –Registro único por temporizador
• Single Shot Giroscópio (SSG):
–Indica inclinação, direção (bússola giroscópica) e face da ferramenta (tool face)
–Por não ser influenciada pelo campo magnético, pode ser condicionada em comando magnético e próximo de outro poço ou revestimento –Registro único por temporizador
SSM - Single Shot Magnético
compass camera batteries timer film disc
(1) Inserindo a foto na câmara de revelação e (2) ponto indicando que a foto foi retirada
Single Shot Camera Ferramentas para Medição Direcional
• Multi Shot Magnético (MSM):
– Semelhante ao SSM, porém com registros contínuos e periódicos em um filme – Descido a cabo no poço ou
lançado
– Última fase (na retirada da coluna)
•
Multi Shot Giroscópico (MSG):
▫
Semelhante ao MSM, porém permite descer em
colunas de produção ou poços já revestidos.
Registro de Foto com a Bússola Magnética (SSM)
• Registro de foto do poço
– Inclinação – cada círculo concêntrico a partir do centro indica 1 grau. A inclinação é dada pela interseção da marcação em cruz com o círculo – Direção – passando uma reta pelo centro do
círculo e pela marcação em cruz teremos a indicação em Rumo, na escala mais externa da foto
Inclinação:
5 graus Direção:
N45W
Registro de Foto com a Bússola Magnética (SSM)
• MWD (Measurement WhileDrilling):
Registro da trajetória do poço durante a perfuração, (p. ex.: pressão, temperatura e posicionamento em três dimensões no espaço).
• PWD (Pressure WhileDrilling):
Medida de pressão no fundo do poço enquanto se perfura.
• LWD (Logging WhileDrilling):
Medida de propriedades da formação (raios gama, resistividade, densidade, neutrãoe sônico) durante a perfuração do poço, através de ferramentas integradas ao BHA. (em memória e tempo real)
• Geosteering(geodirecionamento):
Controle direcional intencional do poço baseado nos resultados das medicões/interpretações de perfis ao invés de seguir simples alvos posicionados no espaço, usualmente com a intenção de manter o poço dentro da payzone.
• Geostopping:
Utilização dos dados de LWD para determinar a parada do poço em função de uma necessidade específica.
Família WD (While Drilling) MWD – Measurement While Drilling
• Registro de Inclinação, Azimute, Tool Face, Vibração na Coluna etc
• Transmissão por:
– Pulsos na lama (Telemetria)
– Ondas eletromagnéticas
– DrillPipe
Mud Pulse Telemetry Systems
A hydraulic poppet valve momentarily restricts the flow of mud to generate an increase in pressure Controlled valve vents mud briefly to the annulus, decreasing the pressure Rotary valve (siren) restricts the mud flow to create a modulating positive pressure wave
Gerador de pulsos em forma de onda da Schlumberger
LWD – Logging While Drilling
Medida de propriedades da formação (raios gama, resistividade, densidade, neutrão e sônico) durante ou logo após a perfuração (LAD) do poço, através de ferramentas integradas ao BHA.
O BHA pode conter um ou mais sensores de LWD (Logging While Drilling), cujos tipos são:
• Raios Gama
• Resistividade
• Sônico
• Densidade
• Neutrão
• Ressonância Magnética
• Testes de Pressão
• Perfis de Imagem
LWD – Logging While Drilling
• Raios Gamapara identificar a argilosidade das formações
• Resistividadepara identificar o tipo de fluido contido nos poros das rochas
• Sônicos para identificar a Porosidade das rochas
• Densidade para identificar a Densidade das rochas e o caliper do poço
• Neutrãopara identificar a porosidade das rochas
• Ressonância Magnéticaidentificam e tipificam os fluidos contidos na rocha (água, gás, óleo) e quanto deste fluido poderá ser extraído
• Testes de Pressãofaz tomadas de pressão em pontos de interesse para identificar trechos do reservatório que estão com pressão original ou depletados.
• Perfis de Imagem são imagens geradas a partir dos perfis de resistividade, raios game e de densidade. Podem ter 4, 8, 16, 32 ou 64 setores.
LWD
• SURVEYS
– Ferramenta utilizada – Interferências magnéticas – Intervalo de Registro
• Anticolisão
• Desvio (Time drilling)
• Poço de Alívio
Acompanhamento
• O poço vertical com RT reduzido em relação à profundidade do poço, deve ser tratado como poço direcional na perfuração. Ex.:
– PV = 600m / RT = 10 m – PV = 3500 m / RT = 30 m
• Na maioria das vezes, em campos onshore no Brasil, é inviável utilizar o sistema RSS devido seu custo elevado.
Neste caso utiliza-se o Motor de Fundo com MWD
• O sistema RSS é de grande importância nos seguintes projetos:
– Poços marítimos de grande orçamento – Poços Horizontais com navegação no reservatório – Poços ERW ou de trajetória 3D complexa ETC...
Acompanhamento
• Trechos verticais:
– Poços onshore: TOTCO ou SSM – Poços offshore: SS ou RSS
• O Intervalo entre os registros depende de:
– Complexibilidade da Trajetória
– Dificuldade na execução direcional ou problemas de calibração/confiabilidade dos equipamentos – Geosteering e Geostopping
• Os surveys oficiais em geral são a cada seção (~30m), porém a cia. pode efetuar outras medições para melhor controle da trajetória
Acompanhamento
Acompanhamento: Projeções Acompanhamento com a Planilha Direcional
Acompanhamento com a Planilha Direcional
TN MN
Equator
Magnetic Declination MN TN
Correção do Registro Magnético: Norte
Verdadeiro x
Norte Magnético
True North
East Declination ( + ) True North
West Declination ( - )
East Declination : MN is East of TN West Declination: MN is West of TN
Magnetic North Magnetic North
Declinação Magnética Convencional Worldwide Declination Variation
Anticolisão
Paper SPE 163411 “Wellbore Collision Avoidance and Interceptions - State of the art”
• Paper baseado no Encontro Técnico “SPE Collision Avoidance
and Wells Interceptions Workshop”• Maioria dos Engenheiros e gerentes não têm dado atenção necessária à questão de colisão entre poços
• As companhias não têm disposição nem interesse para registrar as ocorrências de colisão
• Maioria das colisões a profundidades rasas (densidade maior de poços)
• Dados de Banco de Dados insuficientes ou não confiáveis
Anticolisão - Acompanhamento
Paper SPE 163411 “Wellbore Collision Avoidance and
Interceptions - State of the art”
Anticolisão – Precisão das ferramentas
• Métodos de Cálculo de Incerteza ou Modelos de Erros
– ISCWSA (Industry Steering Committe for Wellbore Survey Accuracy), SPE 56702
• Tipos de Cones de Incerteza
• Métodos para a determinação das Separações mínimas
• Métodos de Rastreamento (Scan Method)
• Análise de Anticolisão (Gráficos) Análise de Anticolisão
Combines the following survey tool errors
• Relative Depth Error
Error in measuring along hole depth e.g. stretch in a wireline.
• Misalignment Error
Error due to instrument misalignment in the wellbore
• True Inclination Error Error in inclination reading
• Compass Reference Error
A constant error in direction due misalignment e.g. gyro foresight error or error in magnetic declination.
• Drillstring Magnetization Magnetic interference cause by “hot spots”
• Gyrocompass Error due to gyro gimbal drift
Sistema de Erro – Systematic Elipse Anticolisão – Scan Method
1 - 3D: Sempre indica a menor distância entre os poços
2 – Horizontal: Não indicado para poços inclinados e horizontais
3 – Travelling Cylinder:
Bom acompanhamento,
mais utilizado por
facilidades gráficas
Center to Center Separation Factor = --- R1 + R2 Center to Center
R1 R2
Fator de Separação
Sep Factor > 1
Sep Factor = 1 Colidiu !!!
Sep Factor < 1
Colidiu !!!Critério de Alarme (Separation Factor)
ANTICOLISÃO – Acompanha- mento gráfico (Closest Approach 3D)
RPM
T o rq u e
PDC
Mill Tooth Insert
Impreg
& N.D.
WOB, RPM’s Hydraulic Conditions Bit Life
Utilização Motor de Fundo x Brocas
The Operational Nature of Steerable System BHA Runs
8 ft 24ft TFA=10R
8 TFA=0 6 TFA=20L
18 TFA=5R
10 TFA=45R
28 TFA=140R
31 29
20 31 16 8 begin run
end run Slide Sections
Rotary Sections
Operação Sliding x Rotating
• Os Steerable Motors podem perfurar de dois modos :
Modo rotary – Nesse modo a mesa rotativa ou o top drive giram fazendo com que a coluna transmita rotação para a broca.
Modo sliding – Durante esse modo a coluna não gira, ao invés disso a lama de perfuração passa pelo motor de fundo, o qual converte a energia do fluido fazendo com que somente a broca gire.
• Desvantagens:
Modo rotary: o bent que tem na coluna faz com que a broca gire fora do eixo do BHA, resultando num poço um pouco mais alargado e espiralado.
Modo sliding: como a coluna fica parada na parte inferior do poço o fluido de perfuração flui desigualmente ao redor do tubo, diminuindo a capacidade do fluido de remover os cascalhos
Rotary Steerable System
• Esse sistema permite a contínua rotação da coluna
• Promove uma resposta praticamente instantânea aos comandos dados pelo sondador para a mudança da trajetória do poço
• No inicio era utilizada somente na perfuração de
extended-reach wells, resultando sempre em maiores
ROP’s e uma melhor qualidade do poço
• Vantagens em relação ao MF:
– Melhor dirigibilidade
– Trajetória mais suave e poço mais calibrado
– Poço mais limpo (menos risco de prisão por embuchamento) – Risco reduzido de prisão diferencial
– Redução de atrito mais WOB – Manobras com menos cargas
• Desvantagens em relação ao MF:
– Menor capacidade em gerar DogLegs – Maior custo
– Sistema bastante automatizado e eletrônico (mais sensível e suscetível a erros de calibração e montagem)
RSS – Rotary Steerable System
Motor de Fundo (Sistema Steerable)
RSS – Rotary Steerable System
CÁLIPER: Qualidade do poço perfurado
Curva do Motor de Fundo
Campo de Serra, no Rio Grande do Norte
Poços Extended Reach Wells Poços Extended Reach Wells
• Campo de Odoptu, Russia
• 2011
• Exxon Neftegas Limited
• Offshore
• Profundidade Medida: 12.345 m
• Distância Horizontal: 11.475 m
Poços ERW: Recorde mundial
• Alcançar o diversos reservatórios com um único poço
• Manter o máximo contato possível entre o reservatório e o poço
• Evitar operações em áreas protegidas ambientalmente
• Perfurar poços offshore com sonda em terra
Por que perfurar um ERW ?
VERY LONG TVD X VERY SHALLOW TVD
