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BROCAS DE PERFURAÇÃO
DE POÇOS DE PETRÓLEO
João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho
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BROCAS DE PERFURAÇÃO
DE POÇOS DE PETRÓLEO
João Carlos Ribeiro Plácido Rodrigo Pinho
Rio de Janeiro, Brasil
Ano 2009
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BROCAS DE PERFURAÇÃO
DE
POÇOS DE PETRÓLEO
4
RESUMO
Perfurando em lâminas d’água ultraprofundas e poços direcionais e
horizontais cada vez mais longos, o tempo de manobra acaba se tornando
excessivamente alto, influenciando de maneira decisiva no custo total da
operação de perfuração. Dentro deste contexto, fica evidente a preocupação e
a necessidade da correta escolha das brocas de perfuração. Hoje em dia,
existe uma grande diversidade de brocas de diferentes fabricantes disponíveis,
o que torna indispensável o conhecimento técnico dos profissionais envolvidos
no processo de perfuração dos poços. Esta apostila tem como objetivo
descrever os tipos de brocas utilizadas atualmente na perfuração rotativa bem
como suas particularidades. Pretende-se ainda descrever os principais critérios
para a seleção da broca ideal para a operação de perfuração de um poço de
petróleo.
5
Sumário RESUMO.................................................................................................................................................... 4 Sumário ...................................................................................................................................................... 5 1 – Introdução............................................................................................................................................ 7 2 – Tipos de brocas ................................................................................................................................ 11
2.1 - Brocas com partes móveis .............................................................................................. 12 2.1.1 – Brocas de cones...................................................................................................................... 12 2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones ................................................................................ 15
2.1.2.1 – A estrutura de corte .................................................................................................... 17 2.1.2.2 - Sistemas de rotação ................................................................................................... 19 2.1.2.3 - Corpo da Broca............................................................................................................ 22
2.1.3 – Código IADC para brocas tricônicas ..................................................................................... 23 2.2 - Brocas sem partes móveis .............................................................................................. 25
2.2.1 – Tipos de Brocas de Cortadores Fixos..................................................................................... 29 2.2.1.1 - Fish Tail......................................................................................................................... 29 2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural ...................................................................................... 29 2.2.1.3 - TSP – Brocas de diamante termicamente estável ................................................. 31 2.2.1.4 - Brocas PDC.................................................................................................................. 32 2.2.1.5 - Brocas Impregnadas ................................................................................................... 34
2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos......................................................................... 36 2.3 - Brocas especiais ............................................................................................................. 38
3 – Seleção de Brocas ........................................................................................................................... 39 3.1 - Critérios para seleção de brocas..................................................................................... 40
3.1.1 - Objetivos de perfuração.......................................................................................................... 40 3.1.2 – Rendimento............................................................................................................................ 40 3.1.3 – Economia ............................................................................................................................... 40 3.1.4 – Direcional............................................................................................................................... 41 3.1.5 – Análise de históricos .............................................................................................................. 41 3.1.6 – Taxa de penetração ................................................................................................................ 41 3.1.7 – Fluidos de perfuração............................................................................................................. 42 3.1.8 – Energia hidráulica .................................................................................................................. 42 3.1.9 – Restrições............................................................................................................................... 42 3.1.10 – Custos................................................................................................................................... 43 3.1.11 – Limitações de peso sobre a broca......................................................................................... 43 3.1.12 – Velocidade de rotação (RPM).............................................................................................. 43 3.1.13 – Formações nodulares ........................................................................................................... 43 3.1.14 – Ampliação............................................................................................................................ 44 3.1.15 – Poços profundos................................................................................................................... 44 3.1.16 – Poços de diâmetro reduzido ................................................................................................. 44 3.1.17 – Aplicações com motor de fundo .......................................................................................... 44 3.1.18 – Atributos do meio ambiente................................................................................................. 45 3.1.19 – Tipo de rocha ....................................................................................................................... 45 3.1.20 – Litologia............................................................................................................................... 45 3.1.21 – Transição.............................................................................................................................. 46 3.1.22 – Homogeneidade ................................................................................................................... 46 3.1.23 – Fraturados ou Nodulares ...................................................................................................... 46 3.1.24 - Tendências de desvio............................................................................................................ 46 3.1.25 – Vibração............................................................................................................................... 46
3.2 - Seleção por perfis geofísicos .......................................................................................... 47 3.2.1 - Registro Neutrônico – NPHI .................................................................................................. 47 3.2.2 - Registro de Raios Gama – GR................................................................................................ 47 3.2.3 - Registro sônico – DT.............................................................................................................. 47 3.2.4 - Registro de Densidade – RHOB............................................................................................. 48 3.2.5 - Potencial espontâneo – SP ...................................................................................................... 48 3.2.6 - Indução – ILD......................................................................................................................... 48 3.2.7 - Análise da resistência à compressão....................................................................................... 49
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3.3 - Seleção em função da formação .................................................................................... 50 4 – Desgaste das Brocas ....................................................................................................................... 52
4.1 - Fatores que afetam o desgaste das brocas.................................................................... 52 4.1.1 - Fatores geológicos .................................................................................................................. 52
4.1.1.1 – Abrasividade................................................................................................................ 52 4.1.1.2 - Resistência especifica da rocha................................................................................ 52
4.1.2- Fatores de operação ................................................................................................................. 53 4.1.2.1 - PSB - Peso sobre a broca.......................................................................................... 53 4.1.2.2 - Velocidade de Rotação............................................................................................... 53 4.1.2.3 - Limpeza do fundo do poço......................................................................................... 54 4.1.2.4 - Geometria do poço...................................................................................................... 54
4.1.3 - Manejo e Transporte............................................................................................................... 54 4.2 - Avaliação do desgaste de brocas ................................................................................... 55
5 - Avaliação econômica ........................................................................................................................ 59 6 – Considerações finais........................................................................................................................ 62 7 – Referências Bibliográficas............................................................................................................... 63
7
1 – Introdução
Desde a época quando os chineses perfuravam poços de salmoura até os
dias de hoje, a broca de perfuração sempre foi fator determinante na
construção de poços de petróleo e gás. Começando com a tecnologia
rudimentar de ferramentas de perfuração a cabo, passando pelos
equipamentos rotativos, até os sistemas direcionais de alto alcance horizontal
atuais, os projetos de brocas tiveram que se adaptar às exigências da industria.
A perfuração fácil é a cada dia mais escassa. Agora se perfura em
topografias de difícil acesso, áreas com restrições urbanas e/ou ambientais e
em lâminas d’água de mais de 2000 metros de profundidade. Os poços
deixaram de ser teoricamente verticais (na realidade não existe um poço
perfeitamente vertical) e se tornaram direcionais com complicadas geometrias.
Poços horizontais com ramificações ou multilaterais, para incrementar a área
de fluxo para aumentar a produção e a recuperação final de um campo, estão
se tornando tecnologias convencionais.
Figura 1 – Poço Direcional de Geometria Complexa (3D)
8
Já não se fala tão somente de se perfurar, mas também de se navegar
pelo subsolo de forma a construir a trajetória de um poço para que alcance o
objetivo predeterminado com êxito. A tecnologia atual de perfuração se
aproveita da última tecnologia de navegação espacial, novos materiais,
desenho mecânico, comunicação e informática para alcançar o objetivo
principal da industria, ou seja, reduzir os custos de perfuração.
Da primitiva broca de arraste, tipo rabo de peixe, passando pela revolução
que gerou as brocas de cones rotativos no principio do século XX e terminando
com as linhas de brocas utilizando tecnologia de diamantes sintéticos, as
companhias de brocas de perfuração tem buscado a vanguarda tecnológica
para se adaptar às exigências de projetos de poços complicados, sempre
buscando a otimização de desempenho em cada tipo de rocha perfurada.
Evolução das Brocas de Perfuração
1859
E.L. Drake e a sonda usada para perfurar o poço em Titusville.
Detalhe de brocas de percussão
1863
Broca de arrastre tipo Rabo de Peixe
1909
Broca de dois cones patentada por Howard Hugues en 1909
1910
Em 1910 Hughes patenteou a primeira broca tricónica
1930
Primeira broca mono-cónica
1925
Broca com dentes entrelaçados ou “engrenados” para autolimpeza
1933
Broca de tres cones com dentes tipo engranagem
1951
Se introduzem os insertos de carboneto de tungsteno como
elementos de corte
1940
Uso de brocas de diamante natural em poços de petróleo
9
É imprescindível que o engenheiro de perfuração domine os fundamentos
do projeto das brocas e seja capaz de entender seu comportamento para fazer
uma seleção adequada. Para isso, deve-se analisar um grande número de
variáveis que interagem entre si, tais como:
• A evolução do desgaste das brocas previamente empregadas;
• Os rendimentos obtidos nos poços vizinhos;
A espessura da capa de diamante pode ser incrementada para dar
mais durabilidade ao cortador PDC. Primeiro plano: cortador TECMAX
1994 – Presente…
Selos gêmeos (Gemini) foram lançados visando incrementar
a vida dos rolamentos das brocas de cones
Broca PDC moderna para aplicacões com Sistema Rotatorio Direcional. Inclui cortadores ativos
no calibre
Insertos para brocas de cones com capa de diamante para melhorar a
resistencia a abrasividade
Os novos desenvolvimentos incluem brocaas especializadas para aplicações e necessdiade específicas. Da esquerda para a direita. As brocas bi-céntricas perforamn um poço piloto que logo é alargado por sua seção ampliadora. As brocas impregnadas são uma versão moderna das brocas de diamantes naturais Os cristais de diamante
são impregnaods na matrix de carboneto de tungtênio de forma que novos critais são expostos a medida que a broca se desgasta pela ação de perfuração em formações abrasivas. Por último, se apresentamn as versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas.
A EVOLUCÃO CONTINUA…
1953
Os primeiros cristais de diamante sintético obtidos pelo “Diamond
Team” da GE
1976
Compactos de diamante sintético em suas diversas apresentacões. Os primeiros
cortadores PDC eram hastes insertadasno corpo da broca
1994
A interfase não-plana da superficie entre os materials
ajuda a aliviar as tensões internas nos cortadores
1978
Primeiras brocas PDC. Hastes insertadas no corpo de aço das brocas com arranjo simples em
espiral
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• Os registros geofísicos dos poços vizinhos e do mesmo poço;
• Os dados sísmicos;
• Análises de compressibilidade das rochas;
• As propriedades dos fluidos de perfuração;
• As tabelas de informação geológica;
• Os catálogos de brocas;
• As tabelas comparativas das brocas;
• As classificações das brocas;
• Objetivos de perfuração para cada fase.
Esta apostila tem como foco o estudo das brocas rotativas utilizadas na
perfuração de poços de petróleo nos dias de hoje. Através da apresentação
dos tipos de brocas existentes, com suas características específicas e
particularidades, serão mostrados critérios de seleção e avaliação de desgaste
das mesmas para que o processo de perfuração seja seguro e com o menor
custo possível.
11
2 – Tipos de brocas
Broca é a ferramenta de corte localizada no extremo inferior da coluna
de perfuração, a qual é utilizada para cortar ou triturar a formação durante o
processo de perfuração rotativa.
Para realizar a perfuração as brocas utilizam como base os princípios
fundamentais para vencer os esforços da rocha, e a forma de ataque pode ser
por: acunhamento, cisalhamento, esmerilhamento, esmagamento, e até mesmo
erosão por ação de jatos de fluido.
A forma do ataque dependerá do tipo e das características da rocha que
se deseja cortar, principalmente em função de sua dureza e abrasividade. Este
fator é muito importante na classificação das brocas. É o grau de dureza e
abrasividade que determinará o tipo de broca e o princípio de ataque.
As primeiras patentes das brocas de perfuração surgiram no início do
século XX paralelamente aos descobrimentos de jazidas de petróleo. Seu
projeto e engenharia melhoraram notavelmente suas características físicas,
mecânicas, e com isso sua duração e funcionamento também evoluíram.
Os tipos de broca mais utilizados para perfuração de poços de petróleo
se classificam genericamente da seguinte maneira:
• Brocas com partes móveis;
• Brocas sem partes móveis.
12
2.1 - Brocas com partes móveis
2.1.1 – Brocas de cones
Inicialmente as ferramentas disponíveis para a perfuração rotativa eram
as brocas de aletas tipo “Rabo de Peixe” e suas diversas variações. Também
chamadas de brocas de arraste pelo seu mecanismo de perfuração. As brocas
de arraste não possuem partes móveis e perfuram por ação de cavar suas
aletas na rocha. As saídas de fluido estão localizadas de tal maneira que o
fluxo é dirigido para as aletas, mantendo-as limpas.
Estas ferramentas foram eventualmente substituídas por novos projetos
de brocas de cones. O conceito e mecanismo de perfuração das brocas de
aletas seriam retomados mais adiante com a aparição das brocas de diamante
policristalino (PDC), como veremos mais adiante.
A primeira broca de cones foi patenteada por Howard Hughes em 10 de
agosto de 1909. Esta broca, com suas subseqüentes melhorias, permitiu que a
perfuração rotativa competisse com o método de percussão em formações
mais duras. Eventualmente, a perfuração rotativa substituiu o método de
percussão em inúmeras outras aplicações. A perfuração a percussão segue,
contudo, sendo utilizada para perfurar poços de água, de superfície e/ou
aplicações especiais para poços de petróleo em determinadas áreas. A
evolução continuou com projetos de brocas de três e quatro cones, e continua
até hoje com versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas.
O fator mais importante no projeto de brocas de cones, a estrutura de
corte, também se modificou em razão da evolução tecnológica de acordo com
as exigências da indústria. Variou desde cortadores formados por dentes
fresados no mesmo aço dos cones (1909); dentes engrenados para auto
limpeza da broca (1925); dentes de aço recobertos com metal duro (liga de
13
carboneto de tungstênio, 1928); ao desenvolvimento de insertos de carboneto
de tungstênio para formações mais duras (1951). Hoje, se dispõe de diferentes
graus de material dos insertos combinando-se diferentes tamanhos de grãos de
carboneto de tungstênio, com o material de ligação à base de cobalto.
Atualmente, a broca de cones é ajustada com insertos resistentes à abrasão ou
ao impacto (em seus diferentes graus), dependendo da aplicação.
Por outro lado, os rolamentos de cilindros e esferas das brocas de cones,
introduzidos no ano 1932, que seguram os cones às pernas da broca e
permitem seu movimento, também evoluíram. O rolamento de fricção (journal)
selado foi introduzido em 1966 para brocas de formações duras, as quais
requerem mais peso sobre a broca, o que limita a vida dos rolamentos de
cilindros. Selos de geometrias e materiais avançados e lubrificantes de
tecnologia de ponta, também contribuíram para que as brocas de cones se
tornassem mais duráveis em ambientes de perfuração mais hostis. Selos
duplos a base de elastômeros de alta resistência foram introduzidos em 1996
para incrementar ainda mais a vida dos rolamentos.
A conservação do diâmetro do calibre das brocas é crítica em operações
de perfuração. O avanço mais significativo neste campo foi a introdução de
insertos de diferentes geometrias, recobertos com capas de diamante sintético
para resistir ao desgaste ocasionado pelo contato dinâmico do calibre da broca
com formações abrasivas (1984).
A incorporação de jatos às broca de cones (1948) ajudou a melhorar a
limpeza do fundo do poço e da estrutura de corte. Os projetos hidráulicos das
brocas atuais incluem jatos dirigidos, estendidos, centrais e difusores, que
contribuem ainda mais para a limpeza do fundo do poço e da estrutura de
corte, assim como ao resfriamento da broca.
Mediante a utilização de modernos simuladores computacionais, os
projetistas têm conseguido melhorar ainda mais os modelos de brocas através
14
de um melhor entendimento da interação broca–formação, buscando-se assim
a otimização da durabilidade, taxa de penetração e comportamento vibracional
da broca.
Figura 2 – Tipos diferentes de brocas de cones: tricônica de dentes de aço (alto
à esquerda), tricônica de insertos (alto à direita), bicônica de insertos (em baixo
à esquerda) e monocônica de insertos (em baixo à direita).
15
2.1.2 - Princípio de projeto das brocas de cones
As brocas de cones contam com cones cortadores que giram sobre seu
próprio eixo. Variam de acordo com sua estrutura de corte e podem ter dentes
de aço usinados ou de insertos de carboneto de tungstênio. Também variam
em função do seu sistema de rolamento, que pode ser rolamento convencional,
rolamento selado ou mancais de fricção tipo journal. As brocas de cones
contam com três importantes componentes: a estrutura cortante, os rolamentos
e o corpo.
Figura 3 – Componentes de uma broca de cones
A estrutura de corte e os cortadores estão montados sobre os rolamentos,
os quais constituem parte integral do corpo da broca.
Atualmente, empregam-se nas brocas dois distintos tipos de elementos
de corte e três tipos de rolamentos. Os elementos cortadores são os dentes de
aço usinados desde um cone básico de material e recobertos com metal duro,
ou os insertos de carboneto de tungstênio colocados por interferência em furos
perfurados na superfície dos cones.
16
Figura 4 – Elementos cortantes das brocas de cones: (dentes de aço e insertos
de carboneto de tungstênio)
Os rolamentos podem ser de esferas e cilindros, rolamento selado ou de
fricção.
Mesmo havendo muita diferença entre as brocas, as considerações sobre
o desenho básico são similares para todas.
17
Figura 5 – Esquema básico de rolamentos de cilindros e rolamentos de fricção
Os diferentes componentes vão depender do diâmetro das brocas e do
tipo de formação que se pretende perfurar.
2.1.2.1 – A estrutura de corte
A geometria dos cones afeta a forma como os dentes cortam a formação.
Um cone que tenha uma superfície cônica única com seu eixo no centro de
rotação da broca, ou seja, sem offset, rodará no fundo do poço sem nenhuma
ação de deslizamento ou arraste. Os cones das brocas para formação moles
possuem dois ou mais ângulos básicos no cone, nenhum dos quais tem seu
centro no centro de rotação da broca, com offset. Com isso, a superfície
exterior do cone tende a rodar ao redor de seu eixo teórico e as fileiras
interiores, perto do centro, em seu próprio eixo, como mostrado
esquematicamente na figura abaixo.
18
Figura 6 – Cones para formações moles
Os cones são forçados a rodar ao redor do centro da broca. Como
possuem ângulos de ataque diferentes produzem maior taxa de raspagem, que
é a melhor maneira de perfurar de forma efetiva os terrenos moles. Portanto,
uma ação mais efetiva para se incrementar a penetração em formações moles
é obtida aumentando-se o offset dos eixos dos cones. O offset é o ângulo entre
o eixo de rotação da broca e o plano vertical, e determina o grau de ação de
raspagem dos dentes. Para formações duras o offset tende a zero e o
mecanismo predominante de ataque é o esmagamento.
19
Figura 7 – Offset de brocas tricônicas
2.1.2.2 - Sistemas de rotação
Para o sistema de rotação de brocas tricônicas existem três
configurações:
• Rolamento convencional com cilindros e esferas;
• Rolamento auto-lubrificado com cilindros e esferas;
20
• Rolamento de fricção auto-lubrificáveis.
Os rolamentos convencionais apareceram para substituir os primeiros
rolamentos de fricção. Foram lançados ao mercado num momento em que só
existiam brocas com dentes de aço. Estes rolamentos operavam em contato
com o fluido de perfuração e em muitos casos duravam tanto ou mais que a
estrutura cortante. Entretanto, em alguns locais e com alguns tipos de brocas
estes rolamentos eram inadequados.
Nas brocas atuais, os rolamentos convencionais são empregados apenas
na parte superior dos poços, onde o tempo de manobra não é excessivo ou em
aplicações em que a velocidade de rotação é alta. Os roletes absorvem a maior
porção dos esforços radiais sobre os cortadores.
Com a introdução dos insertos de tungstênio como cortadores no lugar
dos dentes fresados a vida útil dos rolamentos convencionais foi colocada em
xeque. Além disso, os elementos do rolamento necessitam um depósito para
graxa, um compensador de pressão, um comunicador entre ambos e um selo.
Figura 8 – Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de cilindros e
esferas
21
Mesmo em um ambiente lubrificado, os rolamentos de cilindros e esferas
depois de um determinado tempo falham por fadiga do material. Entretanto, a
vida do rolamento é suficientemente grande para algumas brocas com dentes
de aço. Assim, este tipo de rolamento é empregado nas brocas para formações
moles. No entanto, as estruturas cortadoras de insertos de tungstênio duram
mais que o rolamento de cilindros e esferas lubrificados. Isto levou ao
desenvolvimento de rolamentos de fricção e de novo selo.
O sistema depósito-compensador é similar aos usados nas brocas de
dentes de aço. A diferença mais importante é o emprego do o-ring e a adição
de uma superfície metal-metal que substitui os cilindros. O rolamento de fricção
volta a ser o componente principal a suportar as cargas. As superfícies de
contato deste rolamento são recobertas com metais especiais que agregam
uma resistência adicional ao desgaste. Estes rolamentos têm vida mais longa
que a maioria das estruturas cortadoras atuais.
Figura 9 – Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de fricção
22
2.1.2.3 - Corpo da Broca
O corpo da broca tem a seguinte composição:
• Conexão rosqueada que une a broca com o tubo de perfuração;
• Três eixos de rolamento onde são montados os cones;
• Depósito que contém o lubrificante para os rolamentos;
• Orifícios através dos quais passa o fluido de perfuração.
Um dos propósitos do corpo da broca é direcionar o fluido de perfuração
para tornar a limpeza mais efetiva no fundo do poço. Estes orifícios estão
localizados para direcionar o fluido de perfuração de modo que limpem os
cones das brocas e o fundo do poço.
Figura 10 – Ilustração da ação dos jatos na limpeza dos cones e fundo de poço
As bombas modernas têm potência suficiente para limpar o fundo do poço
e também a broca. Em algumas formações moles, os jatos do fluido de
perfuração retiram o material por sua própria força hidráulica. A erosão do
corpo da broca, provocada pelo fluido a altas velocidades, se reduz com o
emprego de jatos de carboneto de tungstênio.
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As brocas de cones, como foi mencionado, são as mais utilizadas na
atualidade para a perfuração petrolífera. Cada fabricante tem seus próprios
desenhos de brocas de cones, com características específicas de cada
fabricante, mas de acordo com o código de padronização emitido pela IADC
(International Association of Drilling Contractors).
2.1.3 – Código IADC para brocas tricônicas
O IADC desenvolveu um sistema padronizado para classificação das
brocas tricônicas. Classificam-se de acordo com o tipo, dentes de aço ou
insertos, a classe de formação para a qual foram projetadas (em termos de
série e tipo), as características mecânicas, e em função do fabricante. Para
fazer comparações e evitar confusão entre os tipos de brocas equivalentes em
relação aos seus distintos fabricantes, o IADC criou o seguinte o código de
classificação:
N1 N2 N3 A
• N1: Identifica o tipo e o desenho da estrutura de corte com respeito ao tipo
de formação, conforme abaixo:
1 - Dentes de aço para formações moles;
2 - Dentes de aço para formações médias;
3 - Dentes de aço para formações duras;
4 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito moles;
5 - Dentes de insertos de tungstênio para formações moles;
6 - Dentes de insertos de tungstênio para formações médias;
7 - Dentes de insertos de tungstênio para formações duras;
8 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito duras.
• N2: Indica o grau de dureza da formação na qual se usará a broca. Varia de
mole à dura, conforme a seguir:
1 - Para formações moles;
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2 - Para formações médias moles;
3 - Para formações médias duras;
4 - Para formações duras.
• N3: Indica o sistema de rolamento e lubrificação da broca em oito
classificações, conforme abaixo:
1 – Rolamento convencional não selado;
2 – Rolamento convencional não selado com refrigeração a ar;
3 – Rolamento convencional não selado com proteção de calibre;
4 – Rolamento selado auto-lubrificado;
5 – Rolamento selado com proteção de calibre;
6 – Rolamento de fricção (journal) selado;
7 – Rolamento de fricção (journal) selado com proteção de calibre;
8 – Para perfuração direcional;
9 – Outros.
Figura 11 – Exemplos de códigos IADCs
• A: Um caractere alfanumérico que indica outras características, tais como:
aplicações a ar comprimido, selos especiais, jato central, etc. As opções
para o caractere “A” são apresentadas na Tabela abaixo.
25
Tabela 1 – Exemplos de características especiais referentes ao código IADC
2.2 - Brocas sem partes móveis
O uso de diamante industrial natural para corte de minerais e metais na
indústria metal-mecánica e de construção (ferramentas abrasivas de diamante,
brocas para tornos, etc.), passando por sua utilização na perfuração de poços
de mineração, se estendeu para a indústria de petróleo e gás em meados do
século XX, devido ao aumento da demanda mundial de petróleo durante a
segunda guerra mundial e a necessidade de perfurar poços mais profundos,
onde foram encontradas formações mais duras e abrasivas.
Tipicamente a pedra de diamante está “incrustada” na matriz da broca de
diamante e sobressai um terço de seu tamanho sobre a superfície. O
mecanismo de perfuração desta broca é por raspagem e esmerilhamento do
fundo do poço. A pouca profundidade de corte é compensada com altas
revoluções aplicadas para se obter taxa de penetração aceitável. Este tipo de
broca é tipicamente usado com motores de fundo ou turbinas. Uma alta vazão
de fluido de perfuração é mantida para resfriar a broca e alcançar altas
rotações.
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Durante a segunda guerra mundial o fornecimento de diamante industrial
aos Estados Unidos, a partir das minas localizadas na África, se viu seriamente
afetado. Terminada a guerra, foi revista a necessidade de se ter uma fonte
segura de diamante industrial. No ano de 1951, a General Electric (GE)
formaria um grupo científico (Diamond Team) para estudar se era factível,
prática e economicamente, reproduzir o diamante sinteticamente.
Tentativas anteriores haviam fracassado. Em 1880, J. B. Hannay realizou
80 experimentos. Esquentando tubos de ferro que continham parafina, petróleo
e lítio, ele obteve alguns cristais. Estudos posteriores sugeriram que esses
cristais eram de diamante natural.
Posteriormente, outros investigadores como F.H. Moissan, W. Crookes y
C.A. Parsons, entre 1886 e 1931, utilizaram diferentes métodos e materiais
sem êxito. Moissan declarou que havia gerado cristais de diamante a partir de
carvão passando por um arco elétrico, porém logo se comprovou que um
assistente tinha colocado cristais de diamante no aparato. Parsons, que
também não alcançou os resultados esperados usando vários métodos,
concluiu que, neste momento, nada podia ser feito para se produzir diamantes
em laboratório.
O grupo “Diamond Team” da GE chegou à conclusão de que teria que se
reproduzir as condições naturais, as quais o carvão se transforma em
diamante, se quisesse levar seu projeto adiante. Concluíram que necessitariam
de um equipamento que gerasse 3500º F (1927º C) e uma pressão de um
milhão de libras por polegada quadrada (psi), condições equivalentes a uma
profundidade de 160 milhas (258 Km) no subsolo. Depois de milhões de
dólares de investimento e muito trabalho, em 1953, o grupo dispunha de
aparatos e ferramentas para iniciar os experimentos.
Entretanto, somente isso não foi o suficiente. Das variáveis necessárias
para completar o processo além da pressão e temperatura, não havia sido
27
possível reproduzir o fator tempo. Na natureza, o diamante se forma depois de
um processo que dura milhões de anos. Depois de muitos experimentos
infrutíferos, se conseguiu encontrar uma série de catalisadores que
substituiriam o tempo. Em 15 de Fevereiro de 1955 foi anunciado o grande
feito. Os primeiros cristais de diamante sintético (Man-Made DiamondTM)
haviam sido produzidos em laboratório.
Em outubro de 1957 foi lançada uma linha comercial de diamante
sintético para retífica e afiamento de ferramentas de carboneto de tungstênio
para tornos. Depois de passar por desenvolvimentos para diferentes
aplicações, se começou a estudar sua aplicação para a perfuração de poços.
Em 1976 se criou uma empresa subsidiaria para tal fim, Stratapax Drill Blanks,
que lançou no mercado discos e hastes de carboneto de tungstênio com uma
capa de diamante policristalino em um extremo. Estes seriam montados no
corpo de aço de uma broca como elementos de corte. Assim nasceram os
cortadores e brocas PDC ( “Polycrystalline Diamond Compact”).
Os primeiros projetistas de brocas PDC se basearam nos modelos
existentes de brocas de diamante natural para projetar seu perfil. Para sua
fabricação, aproveitaram os conhecimentos e experiências na criação de
brocas de cones de insertos. Os cortadores PDC eram hastes inseridas no
corpo de aço da broca. Inicialmente não se considerou a otimização da
hidráulica nem a evacuação de cascalhos da face da estrutura de corte das
brocas.
Posteriormente começaram a fabricar os corpos das brocas de uma
matriz de carboneto de tungstênio. Com o tempo, o processo se modificou
bastante. Agora se fabrica um molde de grafite com o perfil, espaço para as
aletas e os canais de fluxo. Coloca-se dentro do molde o pó de carboneto de
tungstênio e por cima um metal aglutinante que se fundirá dentro de um forno a
temperatura e ambiente controlados. A broca é depois sacada do molde e
retificada. Os cortadores são soldados em bolsos deixados no topo das aletas.
28
Atualmente se utiliza matriz aço para fabricar os corpos das brocas. Seu
uso depende da abrasividade da formação e o conteúdo de material erosivo no
fluido de perfuração.
Desde os primeiros testes, os resultados foram promissores. Em certas
ocasiões, uma broca PDC substituía várias corridas de brocas convencionais.
Muitos anos depois, quando o estudo da dinâmica de perfuração avançou
significativamente, houve indicações que eventos vibracionais durante a
perfuração com brocas PDC afetavam tanto ou mais que o calor gerado pelo
mecanismo de perfuração por cisalhamento.
A partir desse momento, o desenvolvimento de novos projetos de brocas
PDC enfocou este aspecto. Os perfis, quantidade de aletas, tamanho de
cortadores, arranjo hidráulico, orientação espacial e tipo de cortador são
projetados levando-se em conta os parâmetros modernos de desempenho de
uma broca PDC. Os perfis, quantidade de aletas, tamanho de cortadores,
projeto hidráulico, orientação espacial, estabilidade (características anti-
vibracão); comportamento direcional (resposta efetiva às ferramentas de
controle de navegação para realizar o perfil de poço planejado); durabilidade
(maior tempo efetivo de perfuração) e taxa de penetração (maior distância
perfurada por unidade de tempo). Tudo isso se traduz na redução dos custos
de perfuração e o produto final, ou seja, o poço, feito em menos tempo.
A inexistência de partes móveis e rolamentos aumentam a confiabilidade
destas brocas, uma vez que a as formações a serem perfuradas são
susceptíveis a sua aplicação e a broca correta é selecionada para a aplicação.
Os principais tipos de brocas sem partes móveis utilizados nos dias atuais
são: PDC e Impregnadas
29
2.2.1 – Tipos de Brocas de Cortadores Fixos
2.2.1.1 - Fish Tail
As brocas de lâminas de aço, conhecidas como brocas Rabo de Peixe
(Fish Tail), foram as primeiras brocas a serem usadas na perfuração rotativa.
Sua característica é a de perfurar por cisalhamento. Esse tipo de broca possui
jatos os quais permitem uma boa limpeza das lâminas. O maior problema
destas brocas é que a vida útil de sua estrutura cortante é muito curta, mesmo
aplicando material mais duro nas lâminas. Este tipo de broca praticamente
desapareceu da perfuração de poços de petróleo com o aparecimento das
brocas tricônicas.
Figura 12– Broca Fish Tail
2.2.1.2 - Brocas de Diamante natural
As brocas de diamante natural, igualmente aos outros tipos de brocas de
diamante, têm um corpo fixo cujo material é composto de uma matriz de
carboneto de tungstênio. O tipo de fluxo pode ser radial ou cruzado e o tipo de
cortador é o diamante natural incrustado no corpo da broca, com diferentes
densidades e desenhos, como se classificam no código IADC para cortadores
fixos.
30
O uso destas brocas é limitado, utilizado em casos especiais para perfurar
formações muito duras e para cortar núcleos de formações com coroas de
diamante natural, ou na aplicação de brocas desviadoras (Side Track) para
desviar poços em formações muito duras e abrasivas.
Figura 13 – Brocas de diamantes naturais
O mecanismo de corte deste tipo de broca é o esmerilhamento e arraste,
o qual gera altas temperaturas. O tipo de diamante usado para sua construção
é o diamante em sua forma natural e não comercial. O tamanho varia de
acordo com o desenho da broca: quanto mais dura e abrasiva for a formação
menor o diamante que se deve usar. Os diamantes usados para este tipo de
broca são arredondados, mas de forma irregular.
31
Figura 14 – Mecanismo de esmerilhamento da formação
2.2.1.3 - TSP – Brocas de diamante termicamente estável
Estas brocas são usadas para perfuração de rochas duras como calcário,
arenitos finos e duros, entre outras. São um pouco mais usadas para
perfuração convencional que as brocas de diamante natural.
O uso de brocas TSP também é restrito porque, assim como as de
diamante natural, apresentam restrições hidráulicas. As vias de circulação
estão praticamente em contato direto com a formação e, além disso, geram
altas torções nos tubos de perfuração, embora hoje se pode usar com motor de
fundo.
Este tipo de broca usa como estrutura de corte, diamante sintético em
forma de triângulos pequenos e não redondos. A densidade, o tamanho e tipos
são características de cada fabricante. Estas brocas também têm aplicação
para cortar núcleo e desviar poços.
32
2.2.1.4 - Brocas PDC
As brocas de PDC utilizam diamante sintético no formato de um compacto
de diamante policristalino. Seus cortadores são na forma de pastilhas, montada
nas aletas da broca, que podem ser de aço ou matriz. O que as diferencia das
brocas de diamante natural e TSP, é seu desenho hidráulico que se realiza
com sistema de jatos, similar às brocas de cones.
Figura 15 – Broca PDC de corpo de aço
A orientação dos cortadores: exposição, ângulo de back rake e ângulo de
side rake influenciam diretamente a taxa de penetração da broca PDC.
33
Figura 16 – Exposição, ângulo de Bake Rake e ângulo de Side Rake
O mecanismo de corte das brocas PDC é por cisalhamento. Por seu
desenho hidráulico, seus cortadores em forma de pastilha e por seus bons
resultados na perfuração rotativa, este tipo de broca tem sido muito usado na
perfuração de poços de petróleo. Também apresenta muitas vantagens
econômicas por sua versatilidade.
Figura 17 – Mecanismo de Cisalhamento da Formação
34
Por seu desenho e características, as brocas PDC contam com uma
grande gama de tipos e fabricantes, especiais para cada tipo de formação,
desde formações muito moles até muito duras, e em diferentes diâmetros de
acordo com o projeto de cada poço. Além disso, estas brocas podem rodar a
altas velocidades, podendo ser utilizadas com motores de fundo ou turbinas,
com diferentes pesos sobre a broca.
Figura 18 – Brocas PDC de corpo de Matriz
2.2.1.5 - Brocas Impregnadas
Broca impregnada é a evolução da broca de diamante. Elas possuem
seus elementos de corte (cristais de diamante) impregnados na matriz de
carboneto de tungstênio. Geralmente são utilizadas em ambientes de
perfuração duros e abrasivos. Devido à pequena exposição, tal qual nas brocas
de diamante, a impregnada necessita trabalhar a altas rotações para atingir
taxas de penetração significativas. Estas brocas são geralmente usadas com
turbinas ou motores de alta rotação. Estas brocas são projetadas de forma a ter
cobertura completa de diamante no fundo do poço. A ação de esmerilhamento
da formação a altas rotações acarreta a quebra da cimentação entre os grãos
35
da rocha. Durante a perfuração, com o desgaste da broca novos cristais de
diamantes impregnados na matriz se expõem continuamente ao ambiente de
perfuração mantendo a estrutura de corte afiada.
Figura 19 – Broca impregnada desgastada mostrando os cristais de diamante
expostos
Existe uma infinidade de variáveis quanto a perfis, estrutura dos cristais
de diamante e matrizes de brocas impregnadas. Há que se planejar bem a
aplicação destas brocas uma vez que é necessário que se desgastem para que
se exponham novos cristais de diamante e se atinjam resultados satisfatórios
de taxa de penetração, porém, há que se estudar sempre o impacto das
variáveis na durabilidade da broca.
36
Figura 20 – Brocas Impregnadas
2.2.2 - Código IADC para broca de cortadores fixos
O IADC desenvolveu um sistema de codificação para a identificação das
brocas de cortadores fixos que incluem todos os tipos: Diamante natural, PDC
e TSP. Este código consiste de 4 caracteres, 1 letra e 3 números, que
descrevem sete características básicas: tipo de cortadores, material do corpo
da broca, perfil da broca, desenho hidráulico para o fluido de perfuração,
distribuição do fluxo, tamanho dos cortadores e densidade dos cortadores.
A N1 N2 N3
• A: Identifica o tipo de corpo. S – Corpo de aço;
M – Corpo de matrix.
• N1: Identifica a densidade dos cortadores.
37
Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou híbridas com cortadores de
PDC, a contagem é feita sobre um modelo considerando a broca de
8.1/2” com cortadores de ½”, inclusive os gage trimmers:
1 – 01 a 30 cortadores;
2 – 31 a 40 cortadores;
3 – 41 a 50 cortadores;
4 – mais de 50 cortadores.
Para brocas de diamantes naturais e TSP, considera-se apenas o
tamanho dos cortadores:
6 – pedras maiores que 3 ppq;
7 – pedras de 3 a 7 ppq;
8 – pedras menores que 7 ppq.
• N2: Identifica o tipo do cortador. Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou Híbrido com cortadores de
PDC:
1 – PDC maior que 1” ou 24mm;
2 – PDC entre 0,51” a 1“ ou 14 a 24 mm;
3 – PDC entre 0,33” a 0,50” ou 8 a 14mm;
4 – PDC menor que 0,33” ou 8mm.
Para brocas de diamantes naturais e TSP:
1 – Diamantes Naturais;
2 – Cortadores TSP;
3 – Híbridos TSP + diversos;
4 – Broca Impregnada.
• N3: Identifica o perfil da broca, quanto ao comprimento. 1 – Perfil raso;
2 – Perfil curto;
3 – Perfil médio;
38
4 – Perfil longo.
Em função da identificação com o código IADC existem pelo menos 5
aspectos fundamentais no desenho da broca de diamante: a forma dos
cortadores, os ângulos de inclinação lateral (side rake) e de retardo (back
rake), tipo de proteção do calibre e comprimento da seção de calibre. Todos
eles são importantes no desenvolvimento de uma broca de diamante. O que se
pretende com o código IADC é dar uma idéia do tipo de broca e garantir que se
identifiquem facilmente suas principais características.
Cabe notar que diferentemente do código IADC para brocas tricônicas o
Código IADC para Brocas de diamante não os relacionam com o tipo de
formação a perfurar. Unicamente se pode identificar suas características mais
elementares.
2.3 - Brocas especiais
• Brocas desviadoras;
• Brocas Coroas;
• Brocas especiais.
As brocas de jatos desviadoras, às vezes, são empregadas para a
perfuração direcional de formações moles, durante operações de desvio do
poço. A tubeira de perfuração é inclinada dentro do poço e o jato maior é
apontado de modo que quando se aplica pressão das bombas o jato perfura a
lateral do poço em uma direção especifica.
As coroas são utilizadas nas operações de testemunhagem. As brocas
possuem um furo no centro que permite que parte da formação não seja
cortada pela broca. Esta parte, chamada de testemunho, é posteriormente
levada a superfície para análise mais detalhada das formações.
39
Uma broca considerada para trabalhar em condições especiais é a broca
para perfurar com ar. As brocas de jatos de ar são projetadas para perfurar
com ar, gás ou vapor, como meio de circulação. Estas brocas estão providas
de condutos para circular parte do ar, gás ou vapor através dos rolamentos
convencionais não selados afim de esfriá-los e mantê-los limpos. Os filtros de
tela metálica colocados sobre a abertura da entrada de ar evitam que os restos
e outros materiais estranhos obstruam os rolamentos.
Além dessas, existem outro tipos de brocas especiais que, como sua
classificação indica, são usadas para operações muito específicas e portanto
não se considera sua análise econômica comparativa para sua aplicação
direta. Entre estas brocas podemos mencionar: As brocas ampliadoras, as
brocas para cortar tubos de revestimento, brocas para perfurar diâmetros
demasiado grandes ou pequenos, com aplicação de tubos flexíveis, etc.
3 – Seleção de Brocas
Uma seqüência lógica para a seleção de uma broca contempla os
seguintes passos:
a) Obter informações dos poços de prospecção: identificar o objetivo do poço,
diâmetro do poço, dados do intervalo a perfurar, tipo de formação, geologia,
litologia, condições e requerimentos especiais do poço, determinação de
restrições e indicadores da perfuração.
b) Selecionar a estrutura de corte, corpo e perfil da broca: identificar o tipo,
tamanho, densidade, distribuição e inclinação dos cortadores. Também o tipo
de perfil e corpo da broca o qual ajudara a ótima estabilização e agressividade
durante a perfuração.
c) Elaborar análise econômica: identificar o gasto ou economia esperada com o
uso deste tipo de broca com base no custo por metro perfurado e rentabilidade
econômica entre outros.
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d) Selecionar o desenho hidráulico: identificar a hidráulica ótima para perfurar,
assim como o tipo fluido de controle usado, com base na limpeza do cascalho e
no esfriamento da broca.
3.1 - Critérios para seleção de brocas
3.1.1 - Objetivos de perfuração
Para o processo de seleção é fundamental conhecer os objetivos da
perfuração, que incluem todo o tipo de requisitos especiais de operação para
perfurar o poço. Esta informação ajudará a determinar as melhores
características da broca que requer a aplicação e concentrar seus esforços em
satisfazer as necessidades da companhia perfuradora e seus requisitos de
perfuração.
3.1.2 – Rendimento
Um dos principais objetivos do operador é perfurar o poço no menor
tempo possível. Isto significa orientar a seleção das brocas em busca do tipo
que maior duração tenha. Busca-se, principalmente, a máxima quantidade de
metros em um tempo de rotação aceitável, eliminando assim o custoso tempo
de manobra.
3.1.3 – Economia O meio ambiente econômico é um fator fundamental para a aceitação de
brocas de diamantes, sempre e quando as análises de custo assim
determinam. Caso contrario se devem selecionar brocas tricônicas.
41
3.1.4 – Direcional
O tipo direcional é um critério importante para selecionar as
características de uma broca, seja ela tricônicas ou de diamante. Uma
vantagem especifica das brocas de diamante é o seu grande alcance e suas
possibilidades para perfurar no sentido horizontal. Estes tipos de poços,
geralmente, tem seções homogêneas muito prolongadas que são ótimas para
as aplicações com brocas de diamante. A densidade dos cortadores, a
quantidade de canaletas, o controle de vibração e o calibre da broca são todos
parâmetros de seleção fundamentais quando se estudam aplicações
direcionais.
3.1.5 – Análise de históricos
A análise dos poços de correlação (offset wells), ou poços vizinhos,
oferece a oportunidade de compreender as condições no fundo do poço, as
limitações de sua perfuração e, em alguns casos, a adequada seleção das
brocas. A análise de históricos começa com uma coleção de registros de
brocas e informação relacionada com o poço. Deve-se ter a precaução de que
os registros das brocas sejam representativos do que será perfurado no poço
objetivo. As informações também devem ser atualizadas e refletir os tipos de
brocas recentes.
3.1.6 – Taxa de penetração
O taxa de penetração é uma indicação da dureza da rocha; entretanto
uma seleção de broca inadequada pode ocultar as características de dureza da
rocha. Isto é particularmente válido quando se elege uma broca
demasiadamente dura para uma aplicação. A broca para formações mais
duras, devido a densidade de seus cortadores e da projeção de seus dentes,
tem um limite superior de coeficiente de penetração. Geralmente, a medida em
que se perfura mais fundo, se esperam utilizar brocas cada vez mais duras. A
42
análise das resistências das rochas tem revelado que este paradigma nem
sempre é valido e, em muitos casos, as brocas para formações mais moles
podem ser utilizadas com êxito em partes mais profundas do poço.
3.1.7 – Fluidos de perfuração
O tipo e a qualidade do fluido de perfuração que se utiliza em um poço
tem um efeito muito importante no rendimento da broca. Os fluidos de
perfuração com base óleo melhoram o rendimento das estruturas de corte de
PDC. O rendimento da broca de diamante natural e TSP variam segundo a
litologia. O fluido de perfuração a base água apresenta maiores problemas de
limpeza em função da reatividade das formações na fase aquosa do fluido de
perfuração. Os registros podem determinar a variação e nível de efetividade
dos fluidos de perfuração.
3.1.8 – Energia hidráulica
A energia hidráulica proporciona a limpeza e o esfriamento da broca. É
referenciada em termos de cavalo de força hidráulica por polegada quadrada
de superfície em todas as seções do poço. Existem oportunidades para uma
melhor utilização de energia hidráulica por meio de adequada seleção de
brocas e parâmetros de operação. As brocas de diamante devem funcionar de
acordo com escalas hidráulicas específicas para assegurar sua eficiente
limpeza e esfriamento. Os regimes de surgência insuficientes e o índice de
potência hidráulica (HSI) afetam o esfriamento da broca e podem causar danos
térmicos a estrutura dos cortadores. A falta de limpeza fará com que a broca
encere o que provocará um rendimento deficiente.
3.1.9 – Restrições
Alguns parâmetros de operação geram restrições ao uso de um tipo ou
outro de Brocas.
43
3.1.10 – Custos
Indica a sensibilidade do operador com relação ao custo. Na maioria das
vezes, isto se traduz em brocas de menor preço. Os engenheiros de projeto e
operação devem levar em conta o número de variáveis que afetam o custo de
um poço e que dependem do tempo. As brocas devem possuir qualidades que
satisfaçam as necessidades da aplicação da companhia perfuradora sem
aumentar indevidamente seu custo. Uma broca de diamante com possibilidade
de reutilização pode propiciar custos mais baixos de perfuração.
3.1.11 – Limitações de peso sobre a broca
Quando se encontram situações de PSB (peso sobre a broca) limitado,
uma estrutura de corte eficiente como uma PDC tem possibilidade de oferecer
maior ritmo de penetração (ROP) que uma broca de rolos.
3.1.12 – Velocidade de rotação (RPM)
A velocidade que a companhia perfuradora espera utilizar na broca indica
os parâmetros de vibração e resistência que são necessários para manter um
desgaste controlado da broca e prolongar sua duração. As brocas de diamante
podem ser utilizadas melhor que as de rolos em altas velocidades de rotação.
3.1.13 – Formações nodulares
Geralmente neste tipo de formação não se pode utilizar a maioria das
brocas de diamante devido ao dano por impacto da estrutura cortadora. Porém,
existem estruturas cortadoras que podem perfurar com eficiência estas
aplicações.
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3.1.14 – Ampliação
Para mais de duas horas de operações de ampliação deve-se considerar
seriamente o uso de uma broca de rolos, evitando-se danos no calibre de uma
broca de diamante. Também se deve considerar a vibração lateral.
3.1.15 – Poços profundos
Estes poços podem resultar em uma quantidade muito elevada do tempo
de manobra em relação ao tempo de perfuração. Como resultado, a eficiência
de perfuração é extremamente reduzida. Deve-se considerar uma broca de
diamante para oferecer maior duração da broca, com isso menor quantidade de
manobras e melhor eficiência da perfuração.
3.1.16 – Poços de diâmetro reduzido
Se o poço tem menos de 6.1/2 polegadas, é necessária a redução física
do tamanho dos rolamentos em todas as brocas de rolos. Estas limitações
requerem uma limitação do PSB. Deve-se considerar uma broca de diamante
para aumentar o coeficiente de penetração e para permanecer no poço durante
períodos prolongados.
3.1.17 – Aplicações com motor de fundo
Alguns motores dentro do poço funcionam a altas velocidades (>250
RPM). O RPM excessivo aumenta a carga térmica nos rolamentos e aceleram
as falhas da broca. Deve-se considerar o uso de brocas de diamante que não
possuem partes móveis para otimizar o RPM e os objetivos de perfuração.
45
3.1.18 – Atributos do meio ambiente
Para obter uma solução para o poço que será perfurado é necessário
analisá-lo por seções de diâmetro do poço. Logo se pode subdividir cada seção
do poço em intervalos com atributos em comum no respeito ao meio ambiente.
O rendimento econômico é uma função do custo de operação, do custo das
brocas, do coeficiente de penetração e do intervalo perfurado.
Os atributos do meio ambiente podem dividir-se segundo algumas
categorias de parâmetros quanto ao tipo de rocha, meio ambientes e operação.
Uma análise detalhada de cada uma destas categorias indicará os parâmetros
individuais de seleção das brocas tricônicas ou de diamante. Em formações
onde podem perfurar as brocas de diamante com ritmo de perfuração muito
maiores que as brocas tricônicas é indiscutível a sua utilização. Devido a isto
nos últimos anos quando se seleciona uma broca, antes de tudo se fazem
estudos para selecionar as de diamante.
3.1.19 – Tipo de rocha
Com dados precisos sobre as formações que serão perfuradas no
intervalo objetivo, poderão ser selecionadas com mais facilidade a estrutura de
corte ótima e a densidade que requer a aplicação, quer seja broca tricônica ou
de diamante.
3.1.20 – Litologia
Geralmente, a informação litológica é a primeira que se necessita para
determinar a melhor seleção. A definição dos tipos de rochas ajudará a
determinar o tipo de corte necessário para vencer a sua resistência, a
densidade requerida para os cortadores, a configuração hidráulica estimar a
duração da broca e seu coeficiente de penetração.
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3.1.21 – Transição
Indica trocas de dureza da formação do intervalo objetivo que provocara
esforços diferenciados no perfil da broca através da transição. As vibrações
axiais, de torção e laterais também são esperadas. A qualidade e a densidade
específica dos cortadores constituirão o critério de seleção.
3.1.22 – Homogeneidade
Indica a consistência da formação. Existe mais flexibilidade de seleção
com respeito a características agressivas da broca, como menor densidade dos
cortadores. Para as brocas tricônicas somente basta escolhê-las de acordo
com a dureza da rocha.
3.1.23 – Fraturados ou Nodulares
A este indicador se deve prestar muita atenção. E uma situação de alto
impacto para o qual, geralmente, não se recomenda o uso de brocas de
diamante.
3.1.24 - Tendências de desvio
Normalmente isto se relaciona com perfuração de transição. O tipo de
calibre é o critério de seleção fundamental para estas aplicações.
3.1.25 – Vibração
A vibração no processo de perfuração tem se demonstrado fundamental
no rendimento e na duração das brocas de perfuração. Na realidade, o controle
das vibrações forma, na atualidade, parte integral da tecnologia e projeto das
47
brocas. Existem parâmetros de seleção das brocas que se referem
especialmente ao controle de vibração. A seleção do calibre da broca também
desempenha função importante para determinar o nível de controle de
vibração, seja ela tricônica ou de diamante.
3.2 - Seleção por perfis geofísicos
Os registros geofísicos dos poços são uma importante fonte de
informação sobre as características das formações que se perfuram. Existe
uma grande variedade de registros, cada um projetado para medir diferentes
propriedades das rochas. Alguns destes registros são utilizados principalmente
quando se avalia a aplicação de uma broca de diamante. Os registros
necessários são:
3.2.1 - Registro Neutrônico – NPHI
Mede a capacidade das formações para atenuar os fluxos de nêutrons.
Os nêutrons não fluem facilmente através de formações que tenham alto
conteúdo de hidrogênio, assim permite medir o hidrogênio da formação. Esta
medida pode ser usada para computar a porosidade da formação, litologia e
detecção de hidrocarbonetos leves ou a gás.
3.2.2 - Registro de Raios Gama – GR
Detecta o grau de radiação gama natural que emitem as formações.
Utilizado para a identificação da litologia, a identificação de minerais radioativos
e para o cálculo e volume de argilas ou argilosidades.
3.2.3 - Registro sônico – DT
Depende da propagação das ondas acústicas através da formação. Mede
a diferença nos tempos de trânsito de uma onda mecânica através das rochas.
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As ondas são geradas por um transmissor situado na ferramenta. Os
receptores, também situados na ferramenta, captam as ondas de retorno da e
calculam o tempo de deslocamento. Quanto mais curto o intervalo entre a
emissão e a recepção das ondas, mais densa será a formação. É utilizada para
estimativas de porosidade, correlação poço a poço, estimativas do grau de
compactação das rochas ou estimativa das constantes elásticas, detecção de
fratura.
3.2.4 - Registro de Densidade – RHOB
Mede a densidade em massa da formação. A ferramenta de registro tem
uma fonte de raios gama e alguns detectores. Detecta os raios gama defletidos
pelos elétrons orbitais dos elementos componentes das rochas. Além da
densidade, permite o cálculo da porosidade e a identificação das zonas de gás.
Formações de baixa porosidade dispersam os raios gama assim poucos são
detectados pela ferramenta. Formações de alta porosidade têm menor efeito de
dispersão dos raios gama, assim permite a ma maior quantidade ser detectada.
3.2.5 - Potencial espontâneo – SP
Este perfil mede a diferença de potencial entre dois eletrodos, um na
superfície e outro dentro do poço. Permite detectar as camadas permoporosas,
calcular a argilosidade das rochas e auxiliar na correlação de informações com
poços vizinhos.
3.2.6 - Indução – ILD
Fornece leitura aproximada de resistividade da rocha através da medição
de campos elétricos e magnéticos induzidos nas rochas.
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3.2.7 - Análise da resistência à compressão
É um método qualitativo, para calcular a dureza da rocha, muito útil para
determinar quando se devem usar brocas de PDC. Antigamente a análise da
dureza das rochas baseava-se no uso do registro da velocidade das ondas
sonoras, obtidas de registros sônicos, como meio de representar pela medição
direta o calculo da dureza. Hoje, existem programas para obter o valor
correspondente a resistência à compressão de rochas não confinadas, pressão
atmosférica, usando a informação da velocidade sônica para computar um
valor correspondente a dureza da rocha não confinada. Embora este enfoque
seja melhor que usar diretamente as velocidades sônicas, o calculo da dureza
de rochas não confinadas, assim obtido é freqüentemente muito mais baixo
que o das rochas confinadas, ou comprimidas, que se perfuram. A resistência
da rocha não confinada é sua dureza a pressão atmosférica.
Algumas companhias de brocas desenvolveram programas de
computador que ajuda a selecionar brocas de PDC. Os dados do registro são
introduzidos em programas, esta informação é base para calcular a resistência
à compressão da rocha nas condições de fundo. Estes programas definem com
maior precisão a dureza da rocha, referente à dureza confinada, valor que se
aproxima da dureza das formações no fundo do poço.
50
Figura 21 – Análise de dureza das rochas
Os programas utilizam os registros sônicos e de raios gama, assim como
grande número de dados de registro da lama de perfuração. Dentro da escala
de litologia, para o qual são validos os programas, se pode determinar a dureza
das rochas com mais precisão.
3.3 - Seleção em função da formação
A primeira e mais importante tarefa para selecionar e utilizar uma broca
em uma aplicação é realizar a completa descrição das formações a se perfurar.
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O conhecimento de suas propriedades físicas pode demonstrar alguns
indicativos sobre o tipo de broca a utilizar em intervalos determinados.
Se a formação é muito elástica, tende a deformar quando se comprime
em lugar de fraturar. Embora a rocha tenha resistência à compressão
relativamente baixa, é possível que a broca não gere recortes facilmente. Em
situações de perfuração com brocas PDC recomenda-se o uso de cortadores
grandes.
As brocas de PDC desenvolveram-se, primeiramente, para perfurar
formações moles à medias que antes eram perfuradas com brocas de dentes
de aço e com insertos de carboneto de tungstênio. Nestas formações moles as
brocas PDC têm conseguido ritmos de penetração até 3 vezes mais altos que
com brocas de rolos.
A resistência da rocha pode estar relacionada com a litologia. Deve-se ter
o cuidado de não confundir o nome da formação com o tipo de rocha.
52
4 – Desgaste das Brocas 4.1 - Fatores que afetam o desgaste das brocas
Os fatores que afetam o desgaste das brocas podem ser divididos em:
geológicos, de operação e de manejo e transporte. Os dois últimos parâmetros
podem ser evitados, porém o primeiro deve ser bem estudado antes da
definição do tipo de broca a ser utilizado.
4.1.1 - Fatores geológicos
É o fator mais importante na seleção e operação de uma broca. O
conhecimento da geologia do poço a perfurar é dizer as propriedades físicas da
formação. Entre estes fatores podemos destacar:
4.1.1.1 – Abrasividade
A composição de materiais abrasivos na constituição da rocha é a causa
de desgaste prematuro em todas as estruturas de uma broca. O calibre é o
parâmetro mais afetado.
4.1.1.2 - Resistência especifica da rocha
Está relacionada com a litologia e os eventos geológicos que foram
experimentados. Existem rochas que foram confinadas a grandes
profundidades e posteriormente ficaram a profundidades menores devido a
levantamentos tectônicos. Por isto, são mais compactas que as de tipos
similares, mas que não trocaram de profundidade ao longo do tempo. A
resistência especifica da rocha também depende da cimentação dos grãos,
forma e tamanho.
53
4.1.2- Fatores de operação
Estes fatores devem ser definidos de acordo com a geologia e com a
geometria do poço. Podem ser modificados em campo de acordo com o
desempenho observado. Os principais fatores de operação e as conseqüências
inerentes a uma seleção inadequada são:
4.1.2.1 - PSB - Peso sobre a broca
À medida que a broca perfura, os dentes ou cortadores se desgastam, e
geralmente se aplica cada vez mais peso. Este aumento de peso pode ser feito
ate chegar a um ritmo de penetração adequado ou até chegar ao limite
prescrito nas recomendações de operação da broca, caso contrário, a broca
terá um desgaste prematuro, seja ela de cones ou diamante.
4.1.2.2 - Velocidade de Rotação
A velocidade de rotação é expressa em termos de RPM (rotações por
minuto). A alta velocidade de rotação, por si só, não limita o funcionamento das
brocas, principalmente as de diamante, já que por seu desenho podem ser
usadas com motor de fundo ou turbina. Há, também, brocas de tricônicas
especiais para altas velocidades de rotação. Para evitar velocidades criticas
deve-se usar o senso comum: a velocidade de rotação mais adequada é
aquela que produz um máximo ritmo de perfuração sem causar problemas.
Deve observar que em formações moles um aumento na velocidade de rotação
resulta em um aumento proporcional do ritmo de penetração. É possível que
em algumas formações mais duras ocorra o contrário.
Um caso particular são brocas de cones projetadas para serem usadas
com motor de fundo ou turbina. Nestas condições a velocidade de rotação é
alta, os motores de fundo dependendo de seu diâmetro podem chegar a uma
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velocidade de rotação de 50 a 600rpm, e as turbinas a uma velocidade de
rotação maior que 1000rpm. O projeto específico consiste em melhorias no
sistema de rolamento, hidráulica, recobrimento de carboneto de tungstênio
para proteger contra a abrasão, selo e graxa para operar em condições de alta
temperatura com segurança.
4.1.2.3 - Limpeza do fundo do poço
A limpeza do fundo do poço também é um dos fatores que afetam o
desgaste da broca, por isso é que o fluido de perfuração limpa o poço e
carrega os cascalhos. Desta maneira, evita-se que a broca embole ou
retrabalhe. Também efetua o esfriamento dos dentes ou cortadores e lubrifica
da broca evitando assim o desgaste.
4.1.2.4 - Geometria do poço
Em função da experiência, em certas situações como a de desviar um
poço, é necessário utilizar condições de operação não recomendáveis como o
peso sobre a broca, revoluções por minuto para aumentar, diminuir ou manter o
ângulo. Nestes casos o desgaste prematuro das brocas é inevitável.
4.1.3 - Manejo e Transporte
Outro fator não menos importante de desgaste das broca é o manejo e
transporte. Sem importar o tipo de broca, de cones ou de diamante, deve
trabalhar-se sob certos cuidados: após retirar da caixa colocar sobre madeira
ou alguma forma de borracha, porque no caso das brocas de diamante os
cortadores são muito frágeis e podem lascar facilmente. Se a broca cair por
descuido e alguns dentes ou cortadores se rompem é possível que diminua
drasticamente sua duração.
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4.2 - Avaliação do desgaste de brocas
A análise e avaliação de cada broca usada pode ser de muita utilidade
para decidir o tipo de broca que será utilizada posteriormente e se a prática de
operação deve ser modificada. É um fator dos mais importantes para a
otimização da perfuração em um campo de petróleo em desenvolvimento.
Quem aprende a ler o desgaste de cada broca e entenda bem o que significa o
seu aspecto, estará perto de obter o máximo rendimento em cada uma delas.
A informação que se obtém ao avaliar o desgaste das brocas pode ser
muito significativa. Este valor foi reconhecido pela IADC, que estabeleceu um
sistema mundial para avaliar o desgaste de brocas, similar ao código de
classificação de brocas, de modo que qualquer pessoa possa intuir o estado
em que estava a broca após sua retirada do poço.
O sistema de avaliação de desgaste pode ser utilizado em todos os tipos
de brocas: de cones, diamante natural, PDC, TSP, brocas impregnadas, coroas
e outras.
A tabela de avaliação de desgaste adotada pelo IADC inclui todos os
códigos necessários para analisar o desgaste tanto de brocas de cones como
brocas de cortadores fixos. A avaliação estará resumida em oito campos
alfanuméricos:
N1 N2 A3 A4 A5 N6 A7 A8
A codificação enfoca os quatro aspectos principais da broca, ou sejam: a
estrutura de corte, os rolamentos, o calibre, e as observações pertinentes ao
motivo da retirada. As quatro primeiras colunas descrevem a estrutura
cortadora; as duas primeiras definem o desgaste dos dentes, insertos ou
cortadores fixos das fileiras interiores e exteriores seja para brocas de cones ou
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de diamante, onde N1 e N2 são números que variam de 0 a 8 de acordo com o
desgaste. Comparada com o tamanho original do dente ou do cortador, os
números aumentam com a quantidade de desgaste, o zero representa sem
desgaste e o oito representa desgaste total. O raio da broca será dividido em 3
partes; 2/3 internos serão classificados em N1, o 1/3 externo será classificado
em N2; supõe-se que a vida útil total da broca estará vinculada ao desgaste
total dos insertos ou dentes; divide-se a altura da estrutura cortante em oito, e o
desgaste em frações de 1/8 da altura serão distribuídos a N1 e N2. Ao avaliar
uma broca desgastada se deve registrar o valor médio de desgaste.
Nas brocas de dentes a experiência de campo é fundamental para avaliar
seu desgaste, já que ao se analisar a broca definirá o desgaste tanto das
fileiras interiores quanto das fileiras exteriores.
A3 e A4 são caracteres alfanuméricos, e indicam características e
localização do desgaste principal. A característica principal do desgaste fará
referência ao motivo que limitou a vida da broca. A localização visa apontar o
ponto da broca onde ficou caracterizado o desgaste principal.
A5 é um caractere alfanumérico que se refere ao estado dos rolamentos e
selos de vedação. Para rolamentos não-selados a avaliação é semelhante à da
estrutura de corte, e visa atribuir um número entre 0 e 8 para a sua vida útil;
este número será atribuído pela “experiência” da pessoa que classifica a broca,
o que pode levar a resultados um pouco diferentes a depender de quem
classifica. Para rolamentos selados a avaliação visa aferir apenas se os selos
falharam, determinado o fim da vida útil da broca. Nas brocas de cortadores
fixos, como não possuem rolamentos, atribui-se um X para A5.
N6 é um número expresso em frações de 1/16 de polegada e indica o
calibre da broca. Registra-se “I” se a broca permanece calibrada do contrário
registra-se o quão descalibrado esta a broca utilizando uma medida de 1/16 pg
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A7 é um caractere alfanumérico que serve para anotar características de
desgaste da broca, ou seja, as mudanças físicas mais notórias desde sua
condição nova, como podem ser: tubeira perdida, cone quebrado, interferência
entre cones, etc.
A8 é um caractere alfanumérico utilizado para registrar a razão de saída
da broca.
Figura 22 – Critérios de Análise de desgaste
Outro ponto fundamental para a análise dos registros da broca são dados
como: a profundidade de inicio e termino de perfuração, as condições de
operação, o tipo, as tubeiras utilizadas, o tempo de perfuração, etc., incluem-se
ainda as observações das condições de operação da broca, que em muitos
casos são especiais, como:
• Inicio de desvio;
• Manter, incrementar ou reduzir ângulo;
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• Velocidade de perfuração controlada por perda de circulação, troca de
formação, etc;
• Utilização de motor de fundo, turbina;
• Perfurar com perda total de circulação;
• Perfurar com presença de H2S;
• Perfurar sem condições ótimas, como incapacidade do equipamento de
perfuração, as revoluções por minutos, etc;
Com as observações mencionadas acima, teremos um melhor critério
para avaliar o desgaste e não sacrificaremos o uso de um tipo de broca que
tenha sido selecionada corretamente. Isto poderia ocorrer no caso de uma
broca de cones que tenha sido usada para iniciar a desviar e ao avaliá-la tenha
um desgaste excessivo. Nos rolamentos em que os metros perfurados sejam
poucos, neste caso, a simples inspeção suporia que a broca obteve um baixo
rendimento, mas na realidade a mesma foi utilizada em operações drásticas
com fim especifico.
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5 - Avaliação econômica
Embora representem apenas uma fração do custo total do equipamento,
as brocas são um dos elementos mais críticos para se calcular o aspecto
econômico da perfuração. O custo de uma broca de diamante pode ser várias
vezes mais alto do que uma broca tricônica de dentes de aço ou de insertos;
logo só se justifica seu uso com base em seu rendimento. Com fim de avaliar
seu desempenho, têm-se usado vários parâmetros de comparação como: o
custo da broca, velocidade de perfuração, comprimento de seção perfurado,
etc. A utilização destes parâmetros como indicadores de rendimento poderiam
ser apropriados somente em casos que as operações especiais não o
justifiquem.
O objetivo é obter o menor custo de perfuração sem colocar em risco as
operações cumprindo as especificações de perfuração e observando as
restrições que possam existir.
O método mais aceito hoje em dia é o custo por metro. Para seu calculo
se usa a seguinte equação:
MTcTmTRBC )( +++
=
Onde:
C= custo por metro perfurado ($/m)
B= custo da Broca ($)
R= custo de operação da sonda de perfuração ($/h)
T= tempo de perfuração (h)
Tm= tempo de manobra (h)
Tc= tempo de conexão (h)
M= metros perfurados pela broca (m)
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O tempo de conexão (Tc) é calculado da seguinte maneira: divide o
comprimento perfurado (M) por 9,30m que é o comprimento padrão de tubos
de perfuração, em caso de utilização de top drive se conecta 3 tubos por vez.
Com a operação anterior calcula-se o número de conexões; posteriormente,
multiplica-se pelo tempo unitário de conexão. Este é variável de acordo com a
experiência dos operadores, do equipamento utilizado e das condições de
operação.
Para determinar o tempo de manobra, como uma prática de campo, se
utiliza a seguinte formula:
).(Pr)/(004,0 mofxmhTm =
O fator 0.004 representa um tubo de perfuração viajando 1000 m em
quatro horas, novamente, isto depende da experiência dos operadores, da
sonda de perfuração e das condições de operação.
A equação do custo por metro de perfuração é valida para qualquer tipo
de broca, incluindo as de diamante. A formula pode ser usada ao se terminar
uma seção de perfuração usando dados reais da operação para calcular o
custo por metro de perfuração ou utilizada antes do inicio da operação,
assumindo valores para se calcular o custo.
A formula pode ser usada para se comparar custos usando brocas de
diamante contra brocas tricônicas ou comparar as vantagens econômicas de
tipos diferentes de brocas de diamante.
O custo previsto por metro perfurado para uma broca proposta só deve
ser comparado com o custo real de outras brocas empregadas para perfurar a
mesma região sob condições similares de perfuração. Os poços que se usam
para fazer comparações são os poços vizinhos, ou poços de correlação
(offset).
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Quando se propõe a utilizar brocas de diamante onde se costuma utilizar
brocas tricônicas convencionais, é mais útil utilizar uma análise conhecida
como break even. O ponto de break even se refere simplesmente aos metros
perfurados e as horas requeridas para igualar o custo por metro que se pode
obter para um poço em particular senão não tivesse sido usada uma broca de
diamante.
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6 – Considerações finais
Como vimos, há um grande numero de variáveis que incidem sobre o
processo de escolha do melhor tipo de broca a ser utilizada nas perfurações a
que se propõe. A forma com que estas variáveis são trabalhadas influencia
diretamente na escolha do tipo de broca e conseqüentemente no custo total da
operação de perfuração.
E indispensável ao engenheiro de perfuração o conhecimento de todas
estas variáveis, que vão desde os catálogos das brocas existentes no mercado
bem como suas características de tipo de mecanismo de ataque, tipo de
cortadores, tamanho e densidade dos cortadores, tipos de formação a quais
são adequadas e suas codificações IACD. O engenheiro de perfuração
também deve ter conhecimentos de geologia e litologia das rochas, analise dos
registros geofísicos de poços vizinhos, dados sísmicos da área, entender as
características e propriedades dos fluidos de perfuração e hidráulica e
equipamentos necessários e disponíveis, alem de fazer analise da evolução do
desgaste das brocas previamente empregadas, rendimentos obtidos nos poços
vizinhos e históricos de perfurações.
Entendendo e equacionando todas estas variáveis, pode-se chegar a um
critério ideal de escolha de brocas para uma determinada operação de
perfuração. A função do engenheiro de perfuração é, levando em conta tudo o
que se mencionou neste trabalho, escolher a broca que satisfaça todos os
requisitos da operação acarretando o menor custo de perfuração possível com
o máximo de metros de formação perfurado, com segurança.
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7 – Referências Bibliográficas
[1] – PLÁCIDO, João Carlos Ribeiro. Notas de Aula.
[2] – THOMAS, José Eduardo e Outros. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Rio de Janeiro: Interciência, 2004
[3] – CORREA, Oton Luiz Silva. Petróleo: Noções sobre exploração, produção
e microbiologia. Rio de Janeiro: Interciência, 2003
[4] – BAKER, Ron. A Primer of Offshore Operations. Canada: Petroleum
Extention Services, 1985
[5] – RADTKE, Robert. Thermally Stable Diamond Drill Bit Cutters.pdf [6] – IADC Manual. International Association of Drilling Contractors. Site: www.iadc.org [7] – SMITH Bits. Site: www.smithbits.com. [8] – BAKER & HUGHES .Site: www.bakerhughes.com
[9] – CHRISTENSEN RODER PSP. Manual Sobre Brocas [10] – GEODIAMOND. Dull grade. pdf [11] – SCHLUMBERGER. Site: www.slb.com [12] – WIKPEDIA. Enciclopédia Site: www.wikipedia.org
