UNIVERSIDADE DE SAO PAULO/NSI/T UTO DE GEOCI NCIAS

r-Rornpo PARA o MoNIToRAMENTo DESONDAS ROTATIVAS E APLIGAO NA

pRospEcno cEolclco-c eorc N lcA

TIAVIO ALMEIDA DA SILVA

Orientador: Prof. Dr. FB|O TAIOLI

TESE DE DOUTORAMENTO

coMrsso ut-cADoRA

Presidente: Prof.

Examinadores: Prof.

Prof.

Prof.

Prof

Nome

Dr. Fbio Taioli

Dr. Georg Robert Sadowski

Dr. Lindolfo Soares

Dr. Ginaldo Ademar da Cruz Campanha

Dr Wilson Shoji lyomasa

SO PAULO2001

--4 /--r'--

UNIVERSIDADE DE SO PAULOINSTITUTO DE GEOCINCIAS

"pRornpo pARA o MoNtToRAMENTo DE SoNDASRorATtvAS E ApLtcno NA pRospeco

c eolc rco-c eorcN tcA"

Flvio Almeida da Silva

Orientador: Prof. Dr. Fbio Taioli

TESE DE DOUTORAMENTO

Programa de Ps-Graduao em Recursos Minerais e Hidrogeologia

DEDALUS-Acervo-lGC

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SO PAULO2.001

Aos meus pais Jlio e Laurinda , e ao meu 'lio Jayrne

minha mulhel Regina e s minhas filhas Gabrela e Flvia

sogra e amiga 'Iherezil.rh a (in rnernorian)

Agradecirnentos

ao prof. Dr.. Fbio Taioli pela or.ierfao, sernpre plecisa e aclequada, e pela arnizade;

ao Prof. l)r. Carlos Mendona pela execuo da perlilagem geofisica;

ao Prof. Dr.. .Iorge Kazuo Yamar.noto do IG-USP pela disponibilizao de infl'aestrutul apala o Projeto;

ao Centto de Pesquisa de guas Subterrneas (CEPAS), na pessoa do P.of. Dr. U.ielDualte, pela disponibilizao da sonda rotativa para o monitoramento;

C,,\PllS pela bolsa de custeio no per'odo de maio a uovembro de 2.000;

CD[.IU, alravs do Dr. Nelson Baela, Dir.etor de Planejamento e Pt'ojetos, da Arq. Mar'lisa'larga Feurandes, Supelifiendente de'l'ettas, da A|q. Lucila Dias Carl'illio Soares, GerenLecle Planejamento e controlc de Terlas, da Alq. Regina clia Silva de hreicla, Ldel claCoordenadoria de Planejatnento de Terras, pelo apoio ao projeto;

ao Instituto Geolgico (IG - SMA), atravs dos gelogos Snia Nogueila e Hlio Shimada,pela disponibilizao de material de sondagem;

ao Plof. Dr. Lindolfo Soares, da Escola Politcnica da USP e ao Dr'. Wilson Shoji lyomasa,do IPT, pelas discusses e criticas nos assuntos relativos classificago geolgico-geotcnioa de rochas e nacios rochosos e tcnicas de soudagens;

ao Prof. l)r. Maur'cio A. Trielli da Escola Politcnica da USP pela orientao, discusses ereviso dos textos lelativos ao torsimetro desenvolvido;

ao GeI. Ivan Delatin, da empresa Geotcnica, pelas discusses e criticas nos assuntosrelativos execuo de sondagem rotativa;

ao Instituto cle Pesquisas Tecnolgicas do Estado de So Paulo pela lealizao dos ensaiosmecnicos e, especifcamente, aos colegas MSc. Antnio Marrano, pela reviso gelal dotexto; MSc. Maria Helosa B. de O. Flasca, pela discusso e orientao na desctio daslrninas petrogrfica; Geol. Eduardo B. Quitete; Eng. Eletrnico Vilmondes Ribeilo; MSc.Paulo Roberto Costa Cella; e tcnicos Alcides F'. Scarpelini e Ademir Magno;

ao Eng. Plnio Babo, pela ralceria no desenvolvimento do torsimetto eletrnico;

ao MSc. Adliano Marchioreto e ao Eng. Ibio 'lolentino, pelo auxlio ua ptogtaurao dosoftwale de aquisigo;

ao Sr. Artur Takashi Onoe do Laboratrio de Geoolonologia, pela colaborao em divetsasetapas do trabalho;

ao Sr. Cludio clos Santos (Biolita), pela colabolao na rlolltagem das adaptaes dossersorcs a sislclna dc pcllurao:

MSo. Valdeneide Regina da Silval pelos tlabalhos de catnpo compartilhados, pclomaterial bibliogr'fico disponibilizado e pela arnizade;

aos amigos e colegas da CDIIU, pela pacit.rcia, courpreenso e solidariedade uos diversosmomentos oltioos do tlabalho;

aos amigos e colegas do IGc-USP, quc denlro de suas alividades, sempte oolaboram nopossvel;

I, finalmente, mir.rha amiga e companheira Regina M. Trindade de Castlo Silva, pela suapacincia e apoio molal e finauceilo ao projeto.

ruorcr

DFDICATORI^

AGRADECIMENTOS........,..

iNuc.............

LIS] A DT IICU RAS,....,...

LIS',I'A DE QIJADROS.......

SIMBOLOS E TJNIDADES.,

RIISIJMO..........

AIISt'tAc't...,.

r. TNTRoDUo . .. ......1. 1. Histrico e objetivos.........

I .2. Estruturao da tese...............

2. METODOLOGIA DO TR484LHO................

2. 1. Pesquisa bibliogr-fca.........

2.1 .1. Par'rnetros monitorados, instrumentao e tipos de sensores...,.............,...

2.l.2,Equiparnentosdeperfulaorotativo-abrasiva...,......,.........

2,1.3. Tcnica do monitoramento de perfurao (diagrafia instantnea)...,....

2.2. Desenvolvimenlo do prottipo para o monitoramento. . .

2.2. L 'festes em laboratrio..

2.2.2,Tesfes com a sonda em funcionamento (1q etapa de testes)...................,..,..

2.2.3. Testes com a sonda carnpo (2 elapa de testes)..

2.3. Integrao dos resultados...

2.3. 1. Furos monitorados.,....

2.3.2. Perfrlagem geofsica no furo remanescente..................

2. 3.3. Ensaios em labolatrio nas amostras obtidas..............

3. REVISO BIBI-,IOGRFICA.............

3.1. Sistema automatizado para acluisio de dados.,,.,......,

3. L 1. Ser.rsores - conceitos bsicos e calacterslicas..............

3.1 .2. Tipos e arranjos clssicos com sensores,....

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t73.1 .2.1 . Extensrnetro ("sllalrr gage").....

3.1.2.2. Pontes de Wheatstone ..

3.1.2.3. Sensoles ir.rdutivos.........

3. L2.4. Potencimetros,...,..,..,.,

3. L3, Grar.rdezas fsicas e sensoles utilizados no plotlipo.....

3.1 .3.1. Velocidade de avano da perfurao....

3.1.3.2. Velocidade e sensores de rotao..........

3.1.3.3. Torque e sensores de torque...........

3. 1.3.4. Plesso em fluidos....,....

3.1 .3.5. Y azo de lquidos ern tubulaEo....,

3.1.4.Sistemasdeaquisiodedados/conversoanalgico-digital................

3.2. Per-furao rotativo-ablasiva - tcnica e equipameutos.3.2. 1. tiquipamentos bsicos..............

3.2.2. Pcllurao ablasi va.................,

3.3, Tcnica do monitoramento de pelfurao (diagrafia instantnea)..,....

3.3,l.Variveis independentes ou parmetlos de funcionamento..................,.....

3. 3.2. Valiveis dependetlt es ou parnetros do terreno..........

3.3.3.Modelos tericos e empricos para a interpr'etao dos parmetros depelfulao.........

3.3.4.Utilizao da diagraf,ra instantnea na campauha de investigao......

3.4. Geologia regional da rea dos testes de perfurao....

4. PROTTIPO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO DA

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PERFURAAO................

4.1. Parmetros monilorados, seleo dos sensores e instalao no equipaurento dcperfulao.........

4. 1, 1. Deslocarento e velocidade de avano...................

4.1 ,2. Plesses no sisterna hidrulioo e na linha d'gua..,

4.1 .3. Vazes na linha d'gua..

4.1 .4. 'Iemperatura do fluido de cilculao.....

4.1 .5. Torque aplicado ao pLocesso de perfuiao....

4.1.6.Sensores de proximidade (velooidadcs de rotao)..,........,.,....,

4,2. Sistema de converso analgico-digila......,.............,....

4.2. L F,qu1parrrc,1to..,..................

4.2.2. Soflware para aquisio e tl'atanento dos dados...................,...

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.70.. 70. 71.. 72.73.. / )

4.3, 'I'estes e calibrao dos sensoles em labolatr'io... 74

s. PROTTIPODOSENSORDETORQUE 715.1. Dificuldades para a obteno dileta do parrnetto torque..,............. 775,2, O sensol de torque propos1o............ 715.3. Procedimentos pala a medida do torque........ 81

6. ANLISE tr DISCUSSAO DOS DADOS......... 846, I. Pelfurao lotativo-abrasiva na sonda............

6.2. Anlise dimensional da perfurabilidade.....,..,..,....,....,

6.3. Estimativa de enelgia tlansfelida utilizando o acrscimo de tolque..................,.

6.4.1.Posio do furo e velocidade de avano..........

6.4.2. Presso efetiva sobre a ferramenta de colte (Po)..........

6.4.3. Velocidade de rotao da coluna e 1orque..,.............

6.4.4. Plesso de gua.........,...........

6.4.6. Y az.o dc rclorno do |u1o..............

6.5, Tlatamento dos dados coletados no prottipo.

6,6. Resultados experimentais.,..

6.6.1 . Sondagens a percusso e furos lotativos monitor.ados.....,

6.6.1.1. 'Iestes de funcionamento (1n etapa)........

6.6. 1 .2. Testes de campo (20 etapa)

6.6.2. Monitoramento da per'lurao e a perfilagem geofsica...........,

6.6.3. Ensaios de mecnica das rochas................

6.6.3.1. Ensaios de lesistncia complesso puntiforr.ne........

6.6.3.2. Ensaios de resistncia compresso uniaxial,............

6.7. Anlise dos resultados obtidos e do oompoltamento da sonda.......

7. CONCLUSES..............

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.

ANEXOS4.1 - Resultados dos testes de pelfurao4.2 - Sondagcns realizadas nas reas dos testes

sondagem e fotografias

4.3 - insaios de mccnica das rochas

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de perfurao - perfis inciivicluais de

LISTA DE FIGURAS

Figwa2.1 - Vista do Geologger 3030 (BOLOGNA, 1996)...........,.

Figura 2.2 - Configurao bsica de perfilagem utilizando a sonda GW 3433 (BOLOGNA,1996) .....

Figura 3.'1 - Diferena entre os concetos de preciso e exatido (DUNNICLIFF, 1988)..............Figura 3.2 - Representao dos erros de histerese, linearidade (a) e repetitividade (b)...............Figura 3.3 - Extensmetro ("strain gage') de lmina colada uniaxial (DUNNICLIFF, 1988)..........Figura 3.4 - Arranjo em Ponte de Wheatstone (lSIVlAlL etai., 1998)...................Frgura 3.5 - Sensor transversal ndutvo de proximidade (A) Sensor com a frente

"sh/e/dada"(B), Sensor no "sheldado" (C)(FRADEN, 1993)...................Figura 3.6 - Sensor de proximidade transversal indutivo com um disco auxiliar (A) e o snal de

sada em funo da distncia (B) (FRADEN, 1993)...................Figura 3.7 - Pontecimetro como um sensor de poso (FRADEN, 1993).................Figura 3.8 - Erros causados por potencimetros montados com bobinas (FRADEN, 1993)........Fgura 3.9 - Representao vetorial da posio (A), velocidade (B) e acelerao (B) de um

vv1erv..............,.,.

Figura 3.10 - Representao vetoral da velocdade de rotao (NUSSENZVEIG, 1981). . ... ...Figura 3. 1 1 - Valores do erro porcentual em funo da velocidade de rotao...........Figura 3.12 - Representao do vetortorque na coluna de perfurao (NUSSENVEIG, i981)...Figura 3.13 - lnstalao do torsi0metro no eixo de um motor (HBM, s.d.)......,.,,...........Figura 3.14 - Curva de torque fornecida peo fabricante do motor da sonda..................Figura 3.15 - Escalas de presso (lSMA|L eta/., 1998).,,.,,.,,..........Figura 3.16 - Tubos de Bourdon (a), diafragmas de presso (b) e fotes (c) (tS[4AlL efal.,op.

crT). ............,,.......

Figura 3.17 - Diafragmas de presso. Placa fina (A) e membrana (B) ... ... ... ......Figura 3.18 - Tubo de Fluxo (A) e fluxo atravs de um plano (B) e perfil de velocidade de fluxo

Fgura em tubulao (C) (FRADEN, 1 993)...,...............Figura 3.19 - Operao do medido" eletromagntico de vazo (BASILE & SANTOS, i9B9).,,.....Figura 3.20 - Princf pio do medidor de vazo eletromagntico (FRADEN, 1993)....,.....................Figura 3.21 - Posio dos sensores em um sstema de aquisio de dados e controle

(FRADEN, 1993)......... ... .. ..Figun 3.22 - Vista da ferramenta tipo " rotaty'(a), ao hidrulica durante a perfurao (b),

detalhe da ao da fora de compresso no esmagamento da rocha (c)(HARTLE,1994).. . ........

Figura 3.23 - Sistema de avano hidrulico em sonda rotativa: (a) lustrao tridimensional(PEREDA, 1998) e (b) esquema ilustrativo com os sensores jnstalados (b) ,,,. . ... .......... 39

Figura 3.24 - Elementos estruturais e funcionais das coroas damantadas (IVARX, 1967 apudSERRA Jr, 1991). ...,,,........... 40

Figura 3,25 - Perfis da face de corte - coroas diamantadas (DIAMANTEGEO, s.d. eMAQUESONDA, s.d.)................... 42

Figura 3.26 - Tamanho relativo das pedras em funo do PPQ (pedras por quilate)(IVIAOUESONDA, s.d ).... .............. ......,.,. ... .... ...... . 43

Figura 3.27 - Bomba SB-75 e sonda para prospeco geolgica SS-21 (SONDEQ, s.d.)........... 46Figura 3.28 - Torque e penetrao por revoluo para sondagens rotativas em folhelho

(TEALE, 1965).. . ........ . ..... .. ....,,. 54Figura 3.29 - Torque e velocidade de avano para sondagens rotativas (CLARK, i979)............ 54Fjgura 3.30 - (a) Perdas por britagem para determinao do valor de friabilidade Sr0 e (b) teste

em perfuratriz miniaturizada para determinao do Valor SJ (TAI\IROCK, l986).......... ... 57

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Figura 3.31 - Abaco para determinao do Indice de perfurao (DRi), a partir dos valores deS20 e SJ (A[4ROCK, 1986)......,.....

Figura 3.32 - Classificao da rocha segundo o valor do DR e faxas de valor de DRI paraalguns tipos litolgicos (TAMROCK, 1 986)....,.,.,,,........

Figura 3.33 - Princpio dos testes de raspagem realizados em DEKETH (199S).........................Figura 3.34 - Modos de desgaste (DEKETH, 1995).............,.....Figura 3.35 - Foras instantneas de corte em funo do tempo. Velocdade de corte - 0.4

m/s. (a) Avano 0.07 mm/rev (MODO t); (b) 0,52 mm/rev (MODO t) (DERETH, op.ctf.)..Figura 4.1 - Esquema de instalao do conjunto de sensores/ sistema de converso no

sistema de perfurao (sonda/bomba)....Fgu 4.2- Fotografia de sensores instalados na sonda : (a) deslocamento, presses (b)

descendente e (c) ascendente do hidrutco, e proximidade (d) . ... ......... . .Figura 4.3- Fotografa do sstema de aquisio (a) caixa de alimentao e recepo dos sinas,

(b) conversor AD e (c) NotebookFigura 4.4 - Detalhe do (a) sensor de deslocamento e (b) das peas do seu suporte.......,.........Figura 4.5 - Detalhe do sensor de p-esso utlizado no monitoramentoFigura 4.6 - Detalhe dos sensores de vazo e suas respectivas franges de adaptao na rinha

d'gua, (a) 1%' , (b) %' , (c) 1 %" instatado na saida do furo e (d) reservatrio ara medida

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da vazo de saida 69

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Figura 4.7 - lnstalao dos sensores (a) de vazo (%") e (b) de presso na linha d,gua(entrada)..............

Figura 4.8- Detalhe do sensor de proxmidade (a) instalado na sonda, atravs de seu suporte(b). Anteparos (c) e respectivo suporte (d) instalados em pea solidria coluna,defronte ao sensor de proximidade......... . . .

Figura 4.9 - Calibrao do sensor de deslocamento......Figura 4.'10 - Calibrao do sensor de presso do sjstema hdrulico (descendente)..............Figura 4 '1 1 - Calbrao do sensor de presso do sistema hidrulco (ascendente).................Figun 4.12 - Calibrao do sensor de presso da linha d'gua.........Figura 4.13 * Calibrao do sensor de vazo de entrada no furo (VazaoE) (1t2"1.......... . .Fgura 4.14 - Calibrao do sensor de vazo da sada (VazaoS) (1 %,)............,,.....Figura 5.1 - Acoplamento orginar da sonda (a) e acopramento erstico do sensor de torque

desenvolvdo (b). Sensores de proximidade e respectivo suporte (c).,......... .Figura 5.2 - Esquema do acoplamento elstico,.................Fgura 5.3 - Fotografias da carrbrao esttica do acopramento erstico (a). Detarhe do /aser

utilizado para medda do deslocamento angular (b).,,........Figura 5.4 - Taxa de deformao do acopramento com o torque apricado (a) e trajetrias de

caregamento e descarregamento dos mesmos pontos (b)...Figura 5.5 - sinais dos sensores nstarados no acopramento da sonda. perfodo de rotao do

motor (a) e defasagem proporcional ao torque aplicado (b)......... . . . . B0Figura 5.6 - Teste do sistema eletrnico para medida da defasagem (anteparos fixos)........ ...... B1Figura 5.7 -.comportamento tfpico dos parmetros associados estimatva do torque durante

a perfurao........ 83Figura 6.1 * Elementos envolvidos na perfurao...... 87Figura 6.2 - Influnca da presso efetva na ferramenta de corte (po), considerando a

transferncia de energia da sonda para o processo de perfuro...... g9Figura 6.3 - Ferramentas de corte utilizadas na perfurao em soro: brocas de arraste

dimetros Hx (a), Bx (b) e a broca sem especificao (= 20 cm) (c)........................ ........ 90Figura 6.4- Ferramentas de corte utilizadas na perfurao enl roclla: coroa impregnada Nw

(l0quilates) (a), calibrador(b) e coroa cravada w (70_80 ppq) (c)..............-................... 91Figura 6.5 - Lo,calizao e locao das sondagens monitoradas e das sondagens apercusso...,....... .''... ........,. . ....... se

Figura 6.6. - seo geolgica esquemtica na rea de estudo. Regio dos furos rotativosmontorados e das sondagens a percusso. 99

Figura 6.7 - Valores mdios das energia de perfurao (EEp).................. 102Figura 6.8 - Valores mdios da velocidade de avano............ 102Figura 6.9 - Valores mdios da taxa de penetrao.......... ... 103Figura 6.10 - Valores da presso na ferramenta de corte..,..,......... 103Figura 6.11- Valores mdos da rotao da coluna de perfurao...... 104Figura 6.12 - Valores mdios da rotao do mo1or.......,........... 104Fgura 6.13 - Detalhe da correlao do spr (furos sp- 1 e 2) com a energia especfica de

perfurao...... .,,. .. ............ . .... . ... 107Fjgura 6.'14 - Valores de deflexo medjdos nas perfuraes em so|o...........,.... 109Figura 6.15 -Comparao entre os perfs de EEp, textura e resstncia SpT........... ...... ... 110Figura 6 16,-.vista gerar do equipamento utirizado para a subda e descda das sondas (a) e

detalhe do "Geologge/' (b)..,,.......... . . . . . ....................._...... 111Fgura 6.17 -.Detalhe da sondas para a perflagem caliper (a) e eletrorresstividade (b)........ .... 112Figua 6.18 - Sonda que realiza a perfilagem de microrresistvidade (a) e detalhe dossensores(b)......... 112Flgura 6.1 9 - Faixa de variao dos fndices ffsicos. Amostras dos ensaios de resstncia

compresso puntiforme........... j14Figura 6 20 - correlao entre energia especfica de perfurao (EEp) e resistncia

compresso puntforme (ls15q), Compresso paralela xistosidade....... 114Figura 621 - Correrao entre energia especrfica de perfurao (EEp) e resistncia

compresso puntiforme (ls15e). Compresso perpendcular xstosidade......... . j15Figuta 6.22 - Varao dos indces fsicos (Ensaios RCU)................. 116Figura 6.23 - correrao entre a verocidade de urtra-som e a absoro de gua (Ensaio RCU). 116Figura 6.24 - correlao entre a energia especifica de perfurao e o vorume estimado dequartzo nas arnostras............. 1j7Figura 6 25 - correrao entre a resistncia compresso simpres e o vorume estimado dequartzo nas arnostras.......,..... 117Figura 6.26 - Correlao entre energa especfica de perfurao (EEp) e reslstncia compresso uniaxal (RCU). Compresso paralela xstosi0a0e.................................. . . f leFigun.6,.27 - Detarhe do processo ircipiente de arterao das amostras: argirizao dosfeldspatos Amostra Rcu-7. Aumento 2ox (a) porarizadores descruiad"i

" (ojpolarizadores cru2ados............. 1zOFigura 6.28 - Detalhe das fratura preenchidas por xdos/hidrxidos de fero. Amostra Rcu_3.

Aumento 20x (a) polarzadores descruzados e (b) polarizadores "rr."0os..............-....''. 12O

LISTA DE QUADROS PgnaQuadro 3.'l - causas e solues dos erros de medida (modificado de DUNNICLIFF, 1998)........ 16Quadro 3.2 - Arranjos de Pontes de Wheatstone (DUNNICLIFF, 19gB).......... .........,,... ... .. .. ... 20Quadro 3.3 - Relaes entre as grandezas lineares e angulares (NUSSENZVEIG, 1981)........... ZsQuadro 3.4 - Resumo comparativo dos transdutores de presso (adaptado de rsr\IArL ef. a/.,1998).......,......... ..............,.............. 32Quadro 3.5 - Nomeclatura do sistema americano ou ,,DCDMA, para equipamentos de

sondagem rotativa diamantada (SERRA Jr., 1991)............ 4sQuadro 3.6 - Caractersticas tcnicas da Sonda SS-21 (SONDEO, s.d.) ........,........... 46Quadro 3 7 - caracteristicas tcncas da bomba para o fruido de circurao (soNDEe, s.d.)..... 46Quadro^3.8_:_J?las de energa e_specfca obtidas do torque e da fora de compresso

(HOWARTH & ADAMSON 1988)................... . . 50Quadro^4.1 - Faixa de variao dos parmetros a serem medidos na soNDEe ss-21/ sB-75C.......,,............ . ... ......... .. .... . 66Quadro 4.2 - Caracteristicas do transdutor de deslocamento...... 67Quadro 4.3 - Transdutores de presso (sstema hidrurico da sonda e sada da bombad'gua)................

68Quadro 4.4 - Caracteristicas dos sensores de vazo.......,........... 69Quadro 4.5 - Sensores de proximidade para medio das velocidades de rotao..................... 7 jQr"radfo 4.6 - Sistema de aquiso de dados Lynx (srie ADS_2000)................. . 73Quad.o 6.1 - Relao entre grandezas meddas e parmetros de montoramento 84Quadlo 6.2 - Qualidade do materal perfurado. Furo rotatvo da 1a etapa.......... 101Quadro 6.3 - Testes de campo - arquivos de aquisio (Furo Zero)......,... . ... 1j1

SIMBOLOS E UNIDADES

PAIMETRO SMBOLO UNIDADES

SI

Alea da seo ansversal da ooroa A 2ltl

Avano por rotao ou taxa de penetrao crn/rcv

Conrprirnento total da coluna dc ocl'furaco n't

Cor.nprimenlo imerso da coluna t,, tn

Densidade do fluido de perfurao Yuuirlo kg/m3

Densidade do lluxo nagntico B Tl)imctlo do fui:o D m

Dir'netlo extelto da borda da ooroa D2 lt'

Dimetro intenlo da borda da coroa D1 m

Impuxo da coluna ilnersa Ei NEnelgia despendida para pedurao Ep M.I

Energia especfica de perlurao EEP ou E, MJ/m3Empuxo da coluna imersa 1!r N

Fora de frenagem das hastes F, N

Perfurabilidade Pf MJ/m3Pcso imerso da coluna de perfuraqo Pi N

Peso da coluna t) NPeso efetivo da colura de perfurao Pc NPeso eletivo sobre a felramenta de corte N

Potncia Pot wPotncia tlansfelida para a perfurao Potnr wPlesso do fludo de ciroulao Pf MPaPlesso efetiva sobre a fetramenta de cot'te P MPa

Presso sobre a ferramenta de corte 1t) MPa

Taxa de penetlao crr/rev

Torque ou binrio de rotao T N.m

V azo do fluido na ferlamenta de cofle Oi t.t'r'/,Y az,o ,o fluido qr,re retolna do furo Qo ml/sVazo ou fluxo de um fluido

^,t-r3/s

cm/mnVelocidade dc avano do fulo v,a

Velocidade de lotao W rad/s

RESUMO

A sondagem lotativa diamanlada paru a anlostragem de rocha utl mtodo deinvestigao direto muito utilizado nas reas eln geologia de engenharia e geotecnia. lsse

tipo de investigao tambm aplicado em pesquisa rnineral, pala a obteno de amostra,

visando a avaliao de jazidas. Secundariamente, o mtodo tambm pode ser utilizado na

prospeco de gua subteunea e na rea de meio ambiente.

O rnonitoranrento de sondagem ou "diagrafia instantnea" uma tcnica, a partit da

qual, atravs do monitorarnento de parmetros ligados ao equiparnento de perfilao e as

t'espectivas respostas do terreno. so analisadas e inferidas caractersticas geolgicas egeotonicas dos rateliais perfurados. Na r'ea de geotcnica, o mtodo associado a fulos

destlulivos (petcussivos e rotopercussivos).

Este lr'abalho desenvolveu nm prottipo para monitoramento de sondas rotativas

diamantadas, utilizadas em fui'os pal'a amostragem (testemunhos). Nas etapas de testes,

fotam rnonitorados os parmefros: velocidacle de rotao da coluna de perjrutio cacrscitno de lorque aplioado ao processo de perfulao. Esses dois par'metros pelnriLilam a

estimativa da enelgia consumida no processo de perfurao. Considerando-se o volume de

rocha destruida, tem-se a Energia Espechca de Perfurao (EEP) ao longo do furo.Monitorou-se ainda a posio da perfurao (velocidade de perfurao), as presses no

sistema hidrulico, que detetrninam a contribuio da sonda na ptesso sobre a rocha; as

vazes do fluido de circulao (injetada e de letor.no do fulo), a pr.esso do fluido cle

circulao e a velocidade de lotao do eixo do motor.

Ensaios de labolatr'io foram realizados nas amostras de rocha obtidas: ensaios de

canclerizao, r'esistncia compresso puntiforme (ls6q) e compresso simples (RCU);

alm de anlises pett ogr'ficas. Os resultados desses ensaios folam correlaoionados com as

in1'onnaes obtidas nos testes de pelfur.ao do pr.ottipo.

Durante os tcstes, solos e sedirnentos foram perfurados e monitoraclos pelo plotlipo.

Os resultados desses testes foram cornpa...ados com as informaes obtidas pol. meio dc

sondagens a percusso e ensaios de lesistncia penetrao SP'f.

ABSTR,TCT

l)iamanted rotative drilling for rock sarnple is a dilect investigation method used in

engineeling geology and geofechnical studies. T'his type of investigation is also used in

mineral resealch, to obtain sarnples, aiming a1 mine evaluatiol.r. Secondarily, this method call

also be used in undelground water research and in enviromrental studies.

The monitorirg of dlilling or "instantaneous diagraph" is a technique which, by

means ofthe monitoring of paramelels lelated to the dlilling equipment and to the lespective

groutrd responses, aa:n aralyze ar.rd infel geologioal and geotechnical charactelistios o1'dlilled

matelials. L.r geotechnical studies, the melhod is associated to destruclive bore l.roles,(pelcussive and roto-percussive.)This study has developed a plototype to rnonitor.. lolative

diamanted dlills used in holes to obtain samples (cores.)

During test stages, the following parameters were monitored: angular velocity qf the

drilling slring and torque addtion applied to the drilling process. These two pat'ameters

make it possible to estinate the energy spen.t on the drilting process. Consideling the volurne

of the destroyed rocks, it is possible to calculate the Specific Dlilling Energy along tlie hole.

The following paramelers were also monitored: drilling position (drilling velocity),prxsures on lhe hydraulic system, which establishes the role that the drill exefts on theplessue on tlre rock, itilow and outflow of the drilling fluid, ptessute rf'the drilling.fluidand angulctr velocity of the engine axle.

Labolatoly tests were carricd out on the lock samples obtained. that is, classificatiol

tesls, point load strcngth tests (Is tsol) and uniaxial compr.ehensive strength tests (UCS), in

addition to petroglaphic analysis. The results of these experirnents were colrelated to 1he

information obtained in the prototype drilling tests.

Sediments and soils weie dlilled and monitored by the ptotolype during the 1es1s. Thc

tests t'esults were cotnpaled to the inforrnation oblained by means of percussion dlillings and

slandard penetlation tests (SPT).

Captulo 1 - lntroduo

t. TNTRODUOO tenno "prospeco" diletarenle associado pesquisa minelal, telacionando-se

clescoberta e avaliao do valol econmico de jazidas. O telno pode ainda tet um sentido

mais amplo de pesquisa ou investigao aplicada, desenvolvendo-se em vlias escalas. Essas

escalas variam desde o detalhe rnicrosopico, ern lminas petlogrficas, at estudos em

escala global, na crosta ten'estre. Quanto forma, especificamente, a investigao na

plospeco geolgico-geotcnica pode ser classificada em dileta ou indireta. Os rntodos

ir.rdiretos so aqueles onde as f'orrnaes geolgicas e suas litologias so avaliadas segurdo

algurnas propriedades fsicas (p,e. velocidade de propagao de ondas elsticas^ r'esistividade

eltrica, conslante diellr'ica), no havenclo acesso direto aos rnateliais, As investigaes

geofisioas so o exemplo clssico dos mtodos indiletos de plospeco. J os mtodos

diretos permitem o aoesso aos mateliais e se constituem num conjunto de lcnicasleplesentado pelas sondageirs (pelfulaes), poos, galerias e Llincheilas. O acessopossitrilita a coleta de amostras e a caraclerizao eln labolatr'io (ensaios fsioos equrnioos),

Dentro do conjunto de mtodos diretos de investigao existem as sondagens

rotativas diamantadas. Apesar de ocasionalmente realizado em solo, este mtodo

essencialmente aplicado a rochas em diversas r'eas tecnolgicas, como pcsquisa lninela,

geotecnia, hidrogeologia e geologia arnbiental. Baseia-se na aplicao de lotao ao eixo

longiludinal de um tubo pressionado soble a rocha, sendo a superficie de cofiato do tubo

constituda de material com elevada dureza (diarnante indusllial ou v,idia), ela, por mcio de

um plocesso de abraso, cotta a rocha, avanando a pelfurao. A vantagem dessa lcnica

a possibilidade de preselvao de arnoslras pouco perturbadas no interior do tubo. Quancio a

sondagenr aplesenta altas taxas de reoupelao, as amostras obticlas so um impottnte

subsdio para a caractertzao do malerial, tanto pela anlise tctil-visual quanto pelos

ensaios laboratoliais que pelmitem.

As sondagens para prospeco so geralmente descendentes e, em muitos casos,

verticais. A geologia, atravs do comportamento espacial das estl'uturas, pode detelminar'urna direo e um mergulho dilerentes da veltical em sondagens, tentando obter a maior

perpendioularidade possvel do huo em relao a essas estluturas, Iulos ascendentes,

executados principalmente a pattil de galerias, so lestritos a tipos muito especiais deempreendirnentos, colno barragens, pol exemplo. Gelalmente, esses furos so realizados

Captulo 1 - lntroduo

pal'a tatameo de macios (p.e. coltinas de injeo).

Altas taxas de recuperao no ocolrcrn sempte lesse tipo de investigao. Existern

diversas tcnioas e equipamentos para que a amostlagem l'epresente todo o lr'echo perfurado

(recupetao de 100%). Ainda assim, ocorrem situaes, tanto pelas catacterslicas da

litologia como pela sua posio no perfil de intempetistno, que determiraur perda de

amostras c dirninuio nas taxas de recuperao da sondagem. Quando isso acontece, a

sondagem lotativa carece de elementos para a classificao das rochas e dos macios.

Mesrno em macios que possibilitam altas taxas de tecuperao, comum a intercalao de

maleliais de baixa lesislncia, difceis de seLem amostrados e precisamente posicionados.

Dcpenclcndo da obra de engcnharia a que se destina a sondagem, as calacter'sticas desses

materiais seriam de grande intelesse para o projeto, ul1a vez que geralmenle l'epresentam

"fraquezas" do macio. Todas as possibilidades de obteno de parmelros em laboratrio

para esses materiais tambm ficarn cornplometidas, devido ausncia das amostras.

Apesar dessas dificuldades na intcrpretao dos resultados das sondagens lotativas

diarnanladas, existern sempre dados relativos s condies de pelfulao e s lespectivas

"respostas" do te|reno que no so sistematicamente aproveitados na classifcao. Bssas

informaes constituem os chamados "parmetros de perfurao" ou "parmetros de

sondagem".

L l. llistrioo e objetivosO monitoramento da perfurao originou-se na indslria do petrleo, onde existem

prooessos e tcnicas desenvolvidos para a pelfutao de poos exploratrios e de produo

com grandes dimelros e plofundidades de at milhares de metlos. A partil da dcada de

1970, a idia do monitolamento da pelfulao foi adaptada para a rea de prospeco

geolgico-geotcnica, utilizando-se de perfuratlizes destrutivas rotopercussivas pnerun1icas.

O presente trabalho adaptou a idia desse monitolamento j realizados em fulos

destrutivos, para uma sondagem com amostl'agem, ou seja, uma sondagem rotativadiamantada. Iniciahnente, a aplicao do sislerna dc monitoramento foi dilecionada para zr

otrlizao na identifcao e classificao de zonas fraluradas em ntacios rochosos(aqtifetos fraturados), para a plospeco de gua sublerrnea err terrenos clistalinos.

A aplioao mais direta dos resultados em geotecnia e as limitaes dos reculsos

determinaram alteraes no escopo do projeto. O trabalho passou a concentrar-se na

utilizao desses parmetros na classificao geotcnica dos materiais perlulados e na

Captulo 1 - lntroduo

ol.rteno de corlelaes col.n outros parrnetros de labolatrio, tais cot.uo resistncia

compresso uniaxial (RCU), tesistncia cornpresso puntifotme (ls6), velocidade de

plopagaEo de ondas ultra-snicas, alm dos irdices fsicos das tochas. Esses patmettos de

laboratr'io so freqentenente utilizados etn modelos geomect.ticos.

Urn dos fuLos lemanescentes permitiu a rcalizao de perfilagens geofsicas, Os

testemunhos recuperados forneceram as amoslras para a realizao dos ettsaios delabolalr'io. A velificao de corlelaes entre essas duas fontes distintas de informaes do

macio e os rarmetros de perfurao passou a ser um clos objetivos do trabalho,

Como objetivo intennedirio, foram necessrios o desenvolvinento e os testes do

equiparnento para o monitorametfo da perfurao rotativa.

Para atendimento dos obietivos iniciais (hidrogeologia de aqferos fratutados), a

pesquisa bibliogrfica englobou tpicos relacionados a macios ftaturados e a suahidrogeologia: (a) fatoles detelmiruntes do fluxo, tcnicas de investigao direta e irclireta,

ensaios de campo etc. Da mesma forma, foram realizados estudos para a caraoterizao

fsica da rea onde havia o "interesse hidrogeolgic o" . A rea escolhida, na zona leste do

rnnnicpio de So Paulo, era uma anliga fazenda, com 1,7 milhes de metros quadrados,

onde a Companhia de Habitao e Desenvolvimento Irlabitacional do Estado de So Paulo -

CDHU vem implarfando conjuntos habitacionais populares. Apesar de a lea hoje no

apresentar mais ploblemas de abaslecimento pela rede pblica, a regio j possuiu essa

lestlio, atestada pelo seu histrico na CDHU e pela grande quantidade de poos tulrulares

profundos existentes no entorno, principalmerfe a oeste do terreno. Nessa regio, exislern

por'es conl usos lural (chcaras, reas de cultivo hortifrutigranjeiro) e industlial. Amanuteno e manipulao de materiais perigosos (classe 3) err instalaes clandestinas

tambrn foi justificativa para o inieresse da hidlogeologia dessa regio.

Na legio, foi realizado o mapenleuto geolgico-estrutural para a identificao dos

reflexos locais dos eventos tectnicos rnais recentes e, conseqentemente, do estado de

tenso dos macios. As condies de abertura das ftatulas e o fluxo da gua subterr'rrea que

elas gelar.n nos macios fi'aturados so diletamente detelninados pol esse histrico lecente.

Toda a pesquisa sobre a rea selecionada para os testes e soble o fi aturar.nento de r.nacios e

hidrogeotccnia foi letirada do presente texto, com a mudana do escopo do tlabalho.

O estudo prope ainda a utilizao de um sistema para o monitotamento desondagens rotativas, visando o registro das condies de execuo da pelfurao lotaliva:

Captulo 1 - lntroduo

velocidade de rotao e tol.que aplicados coluna de perfurao. Tambm so regislrados o

deslocamento duate o avano da perfuao, a otao do eixo do motor, as presses no

sistera hiclrulico da souda, a presso na linha de gua, as vazes de enttada e sada e a

temperalura do fluido de lefrigerao. A valivel teurpo controlada por meio da fleqrtcia

de amoslragem do sistema.

A pesquisa procurou invesligar se a prpria perfurao poderia ser tratada como um

ensaio contnuo atravs do lnacio, nas suas variaes petroglficas e minetalgicas e uos

seus variados graus de alterao, coerncia e fraturameltlo, contribuindo con novasinIruraes para a determinao das condies geolgico-geotcuicas. A comprovaodessa tese buscada por nreio da montagem do sistema de monitoratnetrto, realizao de

lestes e execuo de ensaios no carrrpo e em laboratrio, para a obteno de cott'elaes

significativas com os parmetros obtidos com a execuo do futo.

Alrn das informaes adicionais de carter classificatrio, os parmetros de

perfulao podem tambm sel considelados uma forma de controle da qualidade executiva

da sondagem.

Cita-se ainda a possibilidade da aplicao do tnonilotamento em outras r'eas que

utilizam esse lipo de sondagem, tais como pesquisa mineral, meio arnbiente e hidrogeologia

(aqferos fraturados).

L2. Estruturao da teseNo presente trabalho, a diviso dos captulos sepata os assuntos e atividades da

seguirte forma:

O Captulo 2 apresenta e discute a metodoloeia do trabalho, desde a pesquisa

bibliogrfica clos assuntos envolvidos, af os trabalhos de gabinete e de campo; os testes

individuais em laboratrio, com os sensores, e em campo, coln o sistema completo de

monitoramento.

O Captulo 3 r'esume os tlabalhos levaffados na pgfqu!4_biLieg!4fi4. Os temas de

intercsse acabarar abrangendo assuntos diversos: (a) desclio dos instrumentos e mtodos

de medida das grandezas fisicas envolvidasl (b) perfulao rotativo-ablasiva; (c) tcnica da

diaglafia instantnea ou monitolamento de sonclagern para fulos destmtiros (r'otalivo-

tricnico ou rolopercussivo); e (d) par'metros de classihcao e classilcaesgeonrecnicas.

Captulo 1 - lntroduo

O Captulo 4 clesoreve detalhadamente o ro11ipo do sistema de mI.itorarlrclrto

desenvolvido, as caractetsticas de cada sensor e os lesultados dos testes de caliblao em

labolatr'io.

O Captulo 5 desc|eve as etapas de desenvolvirnento do pIqlQ.lLipQipjQIs:i!09lLIQ e o

scu plirrcpio dc luncionamento.

O Caritulo 6 concentra-se ra anlise e discusso das informaes obtidas: resultados

dos testes de pelfulao, das pelfilagens geofsicas realizadas no futo e dos ensaios de

cancfeizao l'ealizados nos testemunhos, discutindo as possibilidades do aproveitatlcuto

dos lesultados do monitorarnento na classificao de macios.

Finalmente, o Captulo 7 apreseuta as concluses do trabalho, discutindo asdificuldades de implantao dessa tcnica de pesquisa e aplesenlando propostas para a

corfinuidade do estudo, taffo no que se refere a equipamentos, quanto aplicao dos

lesultados.

Capitulo 2 - Metodologia do Trabalho

2. METODOLOGIADOTRABALHO

O tlabalho proposto pode ser dividido em trs conjuntos de alividades. O primcilo

refere-se pesquisa bibliogrfica dos tenas relacionados proposta ("monitolamento da

perfurao" ou "diagrafia instantnea", "sondagens rotativas abrasivas", "caracterizao c

classificao geomecnica de rnacios"). O segundo, concepo, especificao e aquisio

dos equipamentos relacionados ao monitoramento. E, finalmente, o terceiro, aos testes do

prottipo de monitoramento da perfulao, que foram realizados em duas etapas: testes de

calibrao do equipamento (laboratrio) e testes do equipamento em condies de operao,

Assooiada ao ltimo conjurlto, destaca-se a atividade de avaliao da tcnica do

monitorarnento de sondagens lotativas com amosttagem, ou seja, a deterrninao daspossibilidades e dificuldades de sua aplicao prtica, na presente pesquisa, para aclassi fi cao geolgico-geotcnica.

2.1. Pesquisa bibliogrfica

O primeiro conjunto de atividades forneceu informaes bsicas sobre: (a)equipamentos de perfurao rotativa utilizados na prospeco geolgica; (b) tcnica do

monitoramento da perfurao destrutiva e suas principais aplicaes; (c) transdutores(sensores) e a aquisio de dados automatizada; e (d) tratamento dos resultados obtidos.

2.1.1. Parmetros monitorados, instrumentao e tipos de sensores

De modo geral, nas geocincias, cmbora haja grande potenoial, principalmente em

atividades relacionadas geologia aplicada, a utilizao de instrumentao r.ro pode serconsiderada uma fcrramenta colnum. Especifcamente par.a a geologia de engenharia ou a

geotenia, mais comum a utilizao desse reourso, existindo inclusive biblioglaha bsica

sobre o assunto (DUNNICLIFF, l9B8).

Partindo-se do tipo de equipamento de perfurao (sonda e bonba d'gua), oorn base

na bibliograha sobre instrumentao, foram levantadas inlormaqes e conceitos para oentendimento do sislema cle rnonitoramenlo.

Foram pesquisados os lipos de apalelhos disponveis no mercado: princpios defuncionamento, faixas de variao dos parmetros, preciso, adequao s condies de

campo, custos etc. Essa etapa detelminou os tipos e caracterisl.icas dos equipamentos que

l'olarn posteriormente adquiridos. I)estacam-se, para esse tema, as abordagens de FRADEN

Capitulo 2 - Metodolog do Trabalho

(1993), DUNNICLIFF,.I. (1988) e WOLFF & MERCANTI (1974), atn de catlogos dediversos fabricantes (LYNX s.d.; TML s.d.; BALLUFF, s.d.; NIKON DWYLER s.d.; IIBM,

s.d. etc.).

2.1 .2. Equipamentos de perfurao rotativo-abtasiva

Objetivando a melhor compleenso do mtodo de perfurao rotativo-abrasiva c dos

equipatnentos utilizados na sua execuo, bibliografias especf,rcas (S,RRA Jr., 1991) e

catlogos de algur.rs fablicantes (SONDEQ, s.d.; MAQUESONDA, s.d.; DIAMANGEO,

s.d.) foram consultados.

2.1.3. 'fcnica do monitoramento de perfurao (diagrafia instantnea)

Apesar da tcnica do monitoramento da perfurao no ser muito difundida,principalmente no Brasil, existe uma grande quantidade de trabalhos no exterior sobre o

mtodo e suas aplicaes. A maioria das referncias sobre diagrafia instantnea foiselecionada de PBREDA (199S), SILVA (1995), SCARMNIO ltOSa e GIRARD (1985).

2.2 Desenvolvimento do prottipo para o monitoramento

A concepo do sistema de aquisio de dados foi baseada na arquitetura propostapor TAIOLI (1992) e TAIOLI (1999). A partir dessa concepo inicial do sistema, foramselecionadas as possibilidades relativas aos tipos de sensores e, finalmente, escolhidos os

rnais adequados, considerando, principalmente: (a) a disponibilidade junto a fornecedor.es

nacionais, (b) os custos envolvidos; e (c) os recursos disponveis. O desenvolvimento doprottipo passou fase de testes individuais dos transdutores e ao desenvolvimento doprogran'r.a de aquisio.

2.2.1 . Testes em laloratrio

Essa etapa cotrespondeu fase de testes para calibrao clos transdutores. Nessa fase,

foi tambm inioiada a adaptao do programa de computador para a comunicao entre o

ConveLsor AD e o microcolnputador. Nessa etapa, f'oram desenvolvidas as adaptaes fisicas

para a instalao de alguns sensoles (em especial, os de deslocarnento e velooidades de

rotao). A calibrao 1'oi lealizada correlacionando-se as grandezas 1'sicas moniloradas cotlo respectivo sinal ploduzido pelo sensor (tenso na maioria dos casos). Foram consideradas

aceitveis conelaes com ajustes lineares e coeficientes de Pearson maiores que 0,95.

Captulo 2 - Metodologa do Trabalho

2,2,2. Tcstes cotl a sonda etll funciouameuto (13 etapa de testes)

Urna vez desenvolvido o soliy,are de aquisio, toclos os sensores foram testaclos enl

conjunto, nas condies de operao da sonda. Para isso, tealizou-se um pt'imeiro fulo

rnonitorado na r.ea do Instituto de Geocincias (IGc), camltus da univelsidade de So

Paulo. Esse fur.o pennitiu a obteDo dos primeiros palnretros de perfurao em solos,

sedimeos inconsolidados e rocha. Apesar do objetivo dessa etapa relacional-se apenas ao

teste do sistema de monitoramento com a sonda em funcionamentO, algumas oonsidetaes

soble a aplicabilidade do mtodo na plospeco geolgico-geotcnica e ajustes ua forma de

obteno dos dados pudet'am sel realizados. Essa etapa provocou setrsveis altel:aes no

lrabalho, lendo sido, eirto, decidido desenvolver um equiparnento especfico para avaliat o

torquc cnvolvido na perfut'ao.

Nessa etapa, lbi dada nfasc especial avaliao da presso soble a superfcie da

rrarneta de corte, considerando-se pata isso todos os fatores envolvidos: (a) fol'a exelcida

pelo hidrulico da sonda; (b) peso da colur.ra de perfulao; e (c) empuxo determinado pela

inrcrso no fluido de perfurao.

2.2.3. Testes com a sonda em campo (23 e|apa de testes)

Na etapa final do tlabalho, realizorse o teste do equipamento etn condies de

operao em campo. Essa etapa, inicialmente prevista para ser realizada lta zoua leste do

municpio de So Paulo, devido s alteraes feitas no escopo do tlabalho, acabou tambm

sendo lcalizada na rea do IGc, em condies semelhantes s dos "/sls do equipamenlo de

pefiurao ent operatio"'.

Essa aherao objetivou: (a) facilitar o apoio logstioo; (b) dintimrir os cr-tstos de

deslocarnenlo; e (c) per-mitir rnaior agilidade para ajustes e para a soluo dos ptoblemas

durante a execuo dos furos.

As amostras e os dados relativos s condies de execuo dos furos, em conjunto

com os dados das perfilagens geofsicas neles lealizadas, forneceram os subsdios para a

avaliao da potencialidade do rntodo na classificao geolgico-geotcnica de rochas e

macios. Devido desconlinuidade dos trechos monitolados, a cottelao com a perfltlagen.t

geofisica frcou plejudioada.

'I-odos os furos foram executaclos segundo a r.netodologia proposta pol ABGE (1990).

As classifrcaes de fialuramento e altetao basearam-se em IPT (1984). A classificao dc

coerncia, em GUIDICINI et. al. (1972).

Captulo 2 - Metodalogia do Trabalho

Diferentemente da prir.r.rei|a etapa de testes, llessa segunda no foi dado deslaque

interpretao e nem avaliao da presso sobre a lerramenta de corte. O tolque, novo

parrlr.ctro rnonitolado a partir dessa etapa, permitiu que esse conlrole fosse realizado

indiletamente. Outros fatores relacionados forma de opera da sonda contriburam air.rda

para essa deciso.

Um fator importante a ser destacado na fase de testes refere-se s dificuldades no

plevistas na sua real dimer.rso, e que podem sel resurnidas ern: (a) falta de infia-estrulura

para a realizao dos fulos no IGc; (b) idade avanada e estado de conservao precrio dos

equipamentos disponveis (sonda e bomba); (c) carncia de mo-de-obra especializadadisponvel (sondador); e (d) geologia (cobertura da rocha por solos sedimentares arenosos da

1ormao Resende). Ilsses fatores determinaram que fossem despendidos tlabalho e ecursos

para a rcalizao do furos, atividade que no era o objetivo frnal da pesquisa, mas apenas

uma forma de obteno dos dados.

2.3. lntegrao dos resultados

Os resultados das investigaes referem-se, basicamente: (a) aos perfis de sondagens

obtidos pela descrio dos testemunhos da perfurao em rocha (sondagem rotativaconvencional); (b) aos perfis obtidos por meio da perfilagem geofsica dos furos; e (c) s

informaes relativas ao monitoramento da perfurao.

Os resultados obtidos em (a) e (b) forneceram, separadamente, informaes sobre as

lespostas do terreno em funo das condies de perfurao impostas. O trabalho preter.rdia

correlacionar os dados de (a) e (b) com a interpretao dos resultados do monitoramento (c),

visando avaliar o potencial da tcnica do monitoramento da perfurao; porm adescontinuidade dos dados obtidos no monitoramento, ou seja, a intercalao cle trechos com

e sem os dados, comprometeu esse objetivo.

Ensaios de resistncia mecnica loram execulados nas amostras obtidas,especilcamente , llesistncia Cornpresso Llniaxial (ICLJ) e Resistncia CotnpressoPuntiJrme (Is1so). Procurou-se estabelecer correlaes entre esses resultados e os ndices

obtidos, pontualmenle, durante a perfurao da rocha.

Captulo 2 - Metodologta do Trabalho

2.3.1 . Fulos monitorados

Foram avaiiados os par'metlos de perlulao dos diversos rnateriais naturais (solos e

rochas), nos sens difelentes graus de alterao e fi'aturamento. Os parmetros declassificao utilizados so apresentados e discutidos no tabalho.

A forma de anlise dos dados do monitoramento proposta f'oi desenvolvida nodecorrer do trabalho, baseando-se plincipalmente nas aboldagens de CLARK (1979) e

TEALII ( 1965). Com uma finalidade diferente, DEKETI{ ( I 995) tambrn apresenta

colrccitos anlogos.

2.3.2. Perflagem geofsica no furo rernanesoente

O furo realizado no teste de campo (segunda etapa) l'oi perfilado com uso de mtodos

geolsicos, com o objetivo de coletar informaes que auxiliassem a avaliao da tcnica do

monitoramento da perfurao.

O levantamento de campo foi realizado com o equipamento do Instituto deAstronomia e Geofsica (IAG) da USP, sob a coordenao do Prof. Dr. Carlos Alberto

Mendona. Os mtodos utilizados foram: (a) eletrorresistividade (rntrica e micro-resistividade); (b) gama natural; e (c) caliper.

O equipamento utilizado foi um perfilador porttil Geologger 3030 (OyoCorpolation, Japan - Figura 2.1). O equipamento composto por: (a) unidade deprocessamento; (b) bloco conector (transfer'ncia dos dados digitais, gravados em formato

especfrco, do equipamento llara ur1 miorooomputador); (d) mdulo cle medida, para aentrada de dados de cada sonda especfica; (e) mdulo de armazenarnento pra a gravao

dos dados em disquetes 3,5"; e (f) mdulo de impresso para a produo dos perfis, ainda no

campo.

O equipamento introduzido uo interior do fulo a ser perflado tarnbrn denomir.rado

sonda. No trabalho foi utilizado um modelo GV/ 3433 ('igura 2.2), que lealiza rnedidas de

raios gama, resistividade eltrica normal, curta e longa, e de potencial espontreo. Oespaamento entre cada medida pode variar entre I e 20 centne1ros.

A contagem de emisso de lajos garna foi realizada po' meio cle "tm cintilmetro de

iodeto de sdio ativado com tlio, embutido na sonda. O equipamento contrn ainda os

eletrodos de potencial tr(t e Mz e o eletrodo de corrente A.llnlre os eletrodos N e M e N eM2, espaados de 40,64 e 162,60 cm (16 e 64 polegadas) do eletrodo l, respectvamente,

10

Capitulo 2 - Metodologia do Trabalho

r.nedern-se as tenses que, em funo da geolnettia do alranjo, pcrr.r.ritir'o o clculo clas

resistividades normal, curta e longa (Figura 2.2). A velocidade de deslocamento valialtottnalmenle entre trs e quatlo metros por rninuto. loram realizados peris descendentes e

ascendentes pala comparao dos lesultados

Figura 2. 1 - Vista do ceologger 3030 (BOLOGNA,1 996)

Figura 2.2 - Configurao bsica de perfilagem utilizando a sonda GW 3433 (BOLOGNA, ,1996).

2.3.3. Ilnsaios em laboratrio nas amostras obtidas

Os registros do monitorarnento, embor.a descontnuos, possuen espaamenl.ospequenos ao longo do furo, variando, de acordo com a velocidade de avano, de milimtr.ico

a centimtrico (no caso de locha). Sendo assim, sua lepresetao pde ser realizada em

Capitulo 2 - Metodologia do Trabalho

diversos intelvalos. Na tentativa de obter-se correlaes entle os ndices plopostos r.ro

trabalho e outlos parmetros geotcnicos utilizados em classificaes geomecnicas, foram

lealizados ensaios de llesislncia Cotnpresso lJniaxictl (RCU) e de ResistncictPtutlifornrc (ls1so) nos testernunhos de rocha obtidos. A determinao dos ndices fsicos, da

lesistncia compresso uniaxial e da resistncia compresso puntiforme das amostras

foram realizadas segundo as norn'ras NBR 12.766 (ABNT, 1992a), NBR 12.767 (ABNT.

1992b) e segundo a metodologia preconizada er ISRM ( 1985), respectivamente.

s anlises petrogrfrcas basealam-se nas olientaes da norma NBR 12.768(ABNT, 1992c). Ll, MAITRE (1989) e WINKLIR (1976) forneceram os critrios para a

classilicao petrogr'f,rca das lminas descritas.

12

Capltulo 3 - Reviso Bibliogrfca

3. IEVISO BIBLIOGRFICA

O presente trabalho prope o desenvolvimento de um proltipo para omonitorarnento de uma sonda tolativa, equiparnento bastante utilizado em prospecomineral e geotecnia, procurando aplicar as informaes adicionais obtidas lia caracterizao

e classificao dos materiais perfurados. Dessa forma, a reviso bibliogrfica concentrou-se

nos seguintes tpicos: (a) descrio dos instrumentos e mtodos de rnedida dos parmetros

envolvidos na perfurao; (b) perlurao t otativo-abrasiva; (c) equiparnentos e o mtodoexecutivo da sondagem rotativa; (d) tcnica do monitoramento da perfurao ou diagrafiainstantnea e (e) geologia regional da rea dos testes de per-fur-ao.

3.1. Sistema automatizado para aquisio de dadosA aquisio de dados realizada no monitoramento da sondagem rotativa refere-se a

uma atividade genericamente denominada instrumentao e controle. A pesquisabibliogrfca mostrou que o tetna mais freqente em algumas reas da engenharia. Ainstrumentao uma ferramenta utilizada em diversas fueas industl.iais, geralmenterelacionada a acompanhamento e controle de processos. Como exemplo, cita-se ainstrumentao na engenharia civil, realizada em estuturas de concreto e em geotecnia, ouainda, na rea qumica industrial, onde aplicada no controle dos processos de produo.

A terminologia oficial utilizada na rea de metrologia definida por INMETRO(1995). A partir de uma "grandeza (mensurvel)" QNMETRO, op.cit.), ou seja, "doatributo de um fenmeno, corpo ou substncia que pode ser qualitativamente distinguido equantitativamente determinado", por meio de um conjunto de operaes, conhecido comomedio, determina-se o seu valor, que a "expresso quantitativa da grandeza especfica"(INMETRO, op. clr. ).

O incio da instrumentao ocore com a instalao do transdutor ou sensor. O termotransdutor refere-se a "qualquer dispositivo capaz de transformar um tipo de sinal em outro,corn o objetivo de ttansformar uma forma de energia em outra e possibilitar o controle de umprocesso ou fenmeno, ou lealizar uma medio" (FERREIRA, 1986). O termo sensor ernpotlugus possui um significado mais amplo. Apesar de originalmente relacionado aequipamentos para localizao de alvos (p.e. radares, sonales). atualmente o termo refer.e-se

tambm a dispositivos tipo transdutores. Provavelmente essa abrangncia maior deve-se aoletmo homnimo em ingls ("sensor") possuir esse sigr-rificado mais arnplo. Apesar dessasutil diferena nos significados, ambos acabam se tornando equivalentes no presentetrabalho.

3.1.1. Sensores - conceitos bsicos e caracter.sticas

Diversos autores (WOLFF & MERC^N'[| 1974; I{ADEN, 1993; ISMAIL r a/.,1998; WEBSTER, 1999) tratam especihcarnente de sensotes e instl'umentao, apresentando

Captulo 3 - Revso Biblogrfca

dehnies e conceitos bsicos. Segundo ITRADEN (1993), sensor r-rm "dispositivo que

lecebe e responde a um sinal ou estmulo conr um sinal eltrico", onde o cstnulo entendido colrlo ulla plopliedade fsica, gerahnente, no eltrica. O sinal de lesposta dado

na forma de tenso, corrente ou carga eltrica, o que permite sua conduo e amplificao

por equipamentos eletrnicos. O termo "estmulo" de FRADEN (op.cil.) corresponde ao que

WOLFF & MERCANTI (1914) denominam rnensurando ("measurand"), ou seja, agrandeza fsica submetida medio (NMETRO, 1995).

Os sensores podem ser divididos em dois tipos bsicos: ativos e passivos. Ospassivos geram um sinal eltrico diretamente em resposta a uma excitao externa. Assim o

estmulo de entrada convertido pelo sensor em energia de sada, sem a necessidade de uma

fonte adicional (e.g. termopares, sensofes piroeltricos e sensoles piezoeltricos). J ossensores ativos necessitam de energia cxtcrna para sua operao, denominada de sinal de

excitao (FRADEN, op. clL ).

A relao terica ideal entre o estimulo e o sinal de sada do sensor chamadafuno de transferncia, a qual pode ser uma simples correlao linear ou outro tipo de

relao (exponencial, logartmica ou de potncia). Pode oconer que nenhuma dessas funes

produza um ajuste satisfatrio. Nesses casos, podem ser utilizadas funes polinomiais de

ordens mais elevadas (FRADEN, op.cll.).

A faixa dinmica do parmetro de entrada ou estmulo freqentemente representada

em "decibel", uma medida logartmica das relaes de potncia ou "fora" (conente ou

tenso). Decibel no se relaciona medida de valores absolutos, e sim, relao entre

valores. As relaes entre potncias (/) ou entre correntes ou tenses (.s) so apresentadaspelas expresses 3.L e 3.2, respectivamente.

DdB = 101p 2"Dtl tlB = 2}logLJ1

(3. 1) (3.2)

Os limites de variao da grandeza fsica para o sensor so chamados de faixa do

sensor ("range") e os respectivos sinais de sada de rontos frnais ("end points"). O valor

algbrico obtido pela diferena entre esses extremos a amplitude ("span") do sensor. A

colrespondente diferena algbrioa para o sinal do sensor chamada de escala completa

("full scale outptLt F,SO "), algurnas vezes representada com o sinal t-, pela metade desse

valor (p.e. lSO = 5,0 V ou + 2,5 V).

Capitulo 3 - Reviso Bbliografca

Teoricanenlc, a presena de ul instrurnento de mcclida no deveria alterar o valol dopar'rnetlo medido. Se isso acontecer de forma significativa, ocorre o que DUNNICI"IFIT

(1988) denomina de "baixa conformidade" do sensor.

A realizao de medidas sempre envolve eruos e incertezas, os quais possuem origens

divelsas (INMETRO, 1998), Geralmente o erro definido como a diferena entre o valor

medido ou indicado pelo sensol e o "valor verdadeiro de uma grandeza", aquele que seria

obtido por uma rnedio perfeita (INMETRO, 1995). Alm do valor absoluto dessadiferena. normalmente o erro expresso na fbrma de polceutagem cla escala completa (FSO

"Full Scale Output"), algumas vezes como porcentagem do prprio valor da leitura.

O eno no sinal possui uma corlespondncia no parmetro fsico. Dessa forma definido o grau dc correo ou exatido ("accuracy") do sensor', ou seja, a diferenamxima de uma medida com relao ao seu valor verdadeiro.

J o conceito de preciso ou repetitivida de ("precision" ou " repeatability")relaciona-se proximidade de cada medida da mdia aritmtica de um conjunto de leituras.

INMETRO (op.cit.) deftne repetitividade como o "grau de concordncia entre os resultados

de medies sucessivas de um mesmo mensurando, efetuada sob as mesras condies de

medio". O nmero de algarismos significativos na medida reflete a preciso doinstrumento.

Os erros representados nas situaes (a) e (b) da Figura 3.1 so charnados desistemticos e aleatrios, respectivamente.

@@(a) precso e no exato (b) no preciso, porm mda exata (c) exato e preciso.

Figura 3.1 - Diferena entre os conceitos de preciso e exatido (DUNNICLIFF, 1988).

O erro pode possuir outras origens especfrcas:

I{istcrcse ("hysteresis") a diferena mxima do sinal de sada em todos os valores,

dentro da escala cornpleta (FSO). quando se cmpa,'a o ciclo de aumento e o dcdiminuo do parme1ro medido. Normalmente apresentada na f-orma de porcentagem

da escala complela (FSO) (Fig. 3.2);

Capitulo 3 - Reviso Bibliogrfica

Erro dc lincaridade (" non-linearty " ) a deflexo mxima a paltil de uma l'eta dosvaloles do sinal de sada do transdutor, entle os valores rnnimo e tnximo da escala

nonrinal, sendo expresso como porccntagem da sada nomnaI ("rated output") (Fig.3.2).

EU) EU)

(a) Carregamento (b) Carregamento -*

Figura 3.2 - Representao dos erros de histerese, linearidade (a) e repetitividade (b).

DUNNICLIFF (1988) apresenta uma classificao dos erros e sugestes paradiminuio de seus efeitos (Quadro 3.1).

.t Ero de linearidade

Quadro 3. 1 - Causas e solues dos erros de medda (modificado de DUNNICLIFF, 1988)

Tipo de Erro Causas Solues

Erros Grosselros. lnexperncia. Perda de leitura e

gravao

. Erros computacionais

. Cuidado e treinamento

. Leituras du plicadas

. Checagem com leituras prvias

Erros S/sfemtlcos. Calrbrao imprpria. Perda de calbrao. Histerese. Erro de linearidade

Uso da calibrao correta

Recalbrao

Uso de padres

Uso de procedimentos de letura consistentes

Erros de Conformao

lnstalao noapropriada

Limitao donstrumento

. Escolha do instrumento certo

. Modificao no procedmento de instalao

. Novo projeto do nstrumento

Erros ambientais

Tempo e temperatura

Vibrao e corroso

Outras variaesambientais

. Registro das mudanas ambentas eaplicao de correes

. Escolha correta do material dos instrumentos

Erro aleatrio

Rudo

Atrto

Efeitos ambientas

. Escolha correta dos instrumentos

. Elminaao temporria do rudo

. /ltiplas leituras

. Anlises estatisticas

Le de MurphySe algo errado podeacontecer, acontecer

Nenhuma - qualquer tentativa de remediao,ir apenas tornar as coisas pores

to

Capitulo 3 - Reviso Bbliogrfica

I rcsoluo ("resolution") do sensor cst diretar.nente relacionada sua capacidadede discrimina dois valoles prxir.nos do parmetro fisico medido, Quanto menor l'or essadifelena, maior ser a resoluo do sensor. Em sisternas digitais, a resoluo usualmente

expressa en nmelo de bits utilizados pelo conversor analgico/digital (A/D).

o Fatorcs ambicntais

FRADN (1993) dehnc condies de armazenarnento como os limites ambientaisno operacionais. para os qnais um sensor pode ser submetido durante um periodoespecfico, sem altear permanenternente seu funcionamento, em con

Capitulo 3 - Revso Bibliogrfica

Existem cinco tipos bsicos de extensmetlos: (a) Fio colado ("Bonded lfire"), (b)Irio no-colado (" Unbonded \Yire"), (c) I-rnina colada ("Bonded Itoil"), (d)"Senticonductor" e (e) " Ilteldable " (DUNNICLIFF', 1988).

O extensmetro ("strain gage") tipo lmina colada ("bonded foil") um dos maiscomuns, sendo composto por unra delgada lmina rnetlica colada nurn fino filme elstico(Figura 3.3 ).

Figura 3.3 - Extensmetro ("stran gage") de lmina colada uniaxial (DUNNICLIFF, lgBB)

3.1.2.2. Pontes de Wheatstone

comum a utilizao de extensmetr os ("stain gages") em Circuitos pontes deWheatstone (Figura 3.4), para a obteno de preciso e sensibilidade nos arranjos. A tenso

de corrente contnua Vs aplicada nos pontos AC, produzindo um sinal Zo. euando a ponte

est balanceada, ou seja, quando a diferena de potencial Vo e ig:ual a zero, vlida aexpresso:

R, =RoR2 R3

(3.4\

Fgura 3.4 - Arranlo em Ponfe de Wheatstone (lSlVAlL ef a/., 1998)

18

Capitulo 3 - Rey/so Bibliogrfica

De acordo cottl o nmelo de scnsores ativos no arranjo. eles so classifcados eln %

de ponte (R1 atvo e R2, R3 c R4 corlponentes lixos), % de ponte (R1 e R3 ativos e R2 e

R4 componentes f,rxos) e ponte completa (todos os elernentos ativos).

os an'anj os com % de ponte so os lenos sensveis e mais susceplveis a variaes

trmicas, por'ln, bastante utilizados pela sua simplicidade e baixo custo. Nenhuma delas

pelmite a correo das variaes de temperatura l1o sensor ativo, Na montagem com trs

lios, possvel elirninar as variaes de resistncia geradas nos fios pelas variaes clc

tempelatura nos cabos.

os arranjos com % po'te praticamente elirninam os efeilos da temperatura. osegundo sensor pode ser (a) inativo ou sensor de compensao, que utiliza o mesmo material

do sensor ativo, montado fora do campo de tenses que se pretende medir, ou (b) ativo,

nesse caso, podendo ser montado paralelo ou perpendicular ao primeiro,

Finalmente, os arranj os com ponte completa aliam alta sensibilidade com a completa

compensao das alteraes de temperatura nos sensores e ao longo dos cabos. Aspossibilidades de arranj o com Ponte de lhheatstone, vantagens e limitaes esto resumidas

no Quadro 3.2.

FRADEN (1993) classifica os sensores que medem posio e deslocamento em: (a)

indutivos, (b) poteuciomtricos, (c) gravitacionais (detectores de inclinao), (d) ter.mais, (e)

capacitivos, ( magnticos e (g) ticos. Desse grupo, os que foram selecionados para o

prottipo do sistema de monitoramento foram os indutivos (velocidade de rotao) e os

potenciomtricos (posio).

19

Captulo 3 - Reviso Bibliogrfica

Quadro 3.2 - Arranjos de Pontes de Wheatstone (DUNNICLIFF, 1988)

Arranjo Tipo Vantagens Lmitaes Aplicaes/ FPl

Quarto de

Ponte

Sistema c/ DoisFios

Mais barato e fcil

de usar

Sensivel a mudanas de

temperatura no sensor

ativo e nos cabos. Baixa

linearidade em n iveis

altos de deformao

Apenas em laboratrio i1.0

Sstema c/ Trs

Fios

Elimina erros

causados pela

mudana de

tempe[atura noscabos

Sensvel a mudanas de

temperatura no sensor e

no linearidade em altos

nveis de deformao

Mas comum em anlisede tenso/deformao

em estruturas / 1,0

lMeia

Ponte

Um sensor ativo eum inatvo

Sem efeito datemperatura

Sensor inativo deve serdstensionado e coladono mesmo material e mesma temperatura dossensores ativos

Teste de longa duraoem estruturas onde asvariaoes de temperaturasograndeseaprecisorequerida elevada / 1.0

Com os dois

sensores ativos(90" - EfeitoPoisson)

Sem efeito datemperatura

lmprpros para camposde tenso baxial

Com dois

sen sores

inteiramente ativos

Sem efeito da

temperatura

Nem sempre possvel

alcanar esse arranjo deponte

Sensores de toro / 2.0

Ponte

Completa

Dois sensores

ativos e dois

nativos

Sem efeito datemperatura

Muito caros Raros / 2.0

Todos os sensores

atrvos I gU- - EfertoRoisson

Sem efeito da

temperaturaMuito caros e imprpriospara campos biaxiais de

tenso

Clulas de carga I 2.6

Com todos os

sensores

interramente ativos

Sem efeito da

temperatura esada mxima

Relativamente caros Bending beams" 14.0

I Fator de Ponte reflete a sensibilidade do arranjo

20

Captulo 3 - Reviso Bbliogrfica

3.1 .2.3. Sensores indutivos

Posio pode ser medida por mtodos de induo elelrornagntica. Os sensoLes de

ploximidade escolhidos para a medida da lotao de eixos na sonda fol'am sensoresindutivos.

. Sensoles indutivos de ploximidade

FRADEN (1993) difelencia dois tipos de sensores de pr.oximidade indutivos: (a)

sensores eletlomagnticos de proxirnidade e os (b) sensores indutivo-tr.ansver.sais. Ossellsores de proxirnidade trabalham oorn uma dislncia cllica (distncia sensola) entre sua

supelficie sensvel e o objeto detectado, a partir da qual o sensor emite ou irtelrompe urn

sinal ("chaveamento do sensor").

Os sensores de proxirnidade eletromagnticos permitem a deteco de objetosluretlioos no-magnticos, pol rneio de urn par de bobinas. Enquaffo uma bobina funciona

como referncia, uma segunda usada para detectar as correes induzidas pela presena do

objeto condutor. A proximidade do objeto rnellico pr.oduz uma glar.rde alterao naimpedncia rnagntica (F'igura 3.5). os sensores de proximidade para determinao dasvelocidades de rotao no plottipo so eletr.omagnticos.

n=- n 3ll \ffi l:{ r-il[ml tE)lk\ffi,'ffi.| l\"7-* l"lBobna dc Botrn I lvRelernct sn3ver I I

t--' -l

,/ffi1+-l-\ mffil

Figura 3.5 - sensor transversal indutivo de proximidade (A): modelo com a frente "s/rle/dada" (B) eno " sheldada" (C) (FRADEN, 1993).

.l os sensores de proxirnidade indutivo-transver.sais necessitam de objetoslerromagnticos para a sensibilizao do sensor'. A deteco do objeto fel:romagntioorealiza-se pela altelao lto catrtpo magntico e conseqente alterao r.ra indutl.rcia clabobina, nedida pot um circuito eletr'nico extclno. A interao do objeto cor.l. o sensor.tambm realza-se sem uecessidade de contato direto. As lirnilaes desse apatelho csto

relacionadas necessidade de utilizao de objetos ferromagnticos e sua utilizao ent

distncias lelativamente pequenas. (FRADEN, op cit ) (Figwa 3 .6).

21

Capitulo 3 - Reviso Bibliogrfica

A velocidade de chaveaurenlo dos dois tipos de sensol de ploxirnidade apresentados

relativanente alta podendo chcgar a 25 kLIz, permitindo a deteco de obietos com altas

I'eqncias de lotao.

dscoferromagntico

ffi1,,.,_t

:]40

20

?46sro12B distncia x

Figuras 3,6 - Sensor de proximidade transversal indutivo com um disco auxiliar (A) e o sinal desalda em funo da distncia (B) (FRADEN, 1993).

3.1.2.4. Potencimetros

O potencimetro um dispositivo de contato deslizante, que se movimenta sobre

uma resistncia fixa (Figura 3.7). Com o mesmo princpio de funcionamento, osPolencimetros Rotativos so usados para a leitura de deformaes rotacionais e tambm

para deformaes Iineares, por meio de um sistema mecnico de converso @LTNNICLIFF',

198 8).

O deslocamento provoca a mudana no comprimento de um fio, gerando umaalterao linear na sua resistncia. A aplicao de uma corrente eltrica ncsse circuitopen'uite, pol rleio de uma tenso de excitao (-4), o controle do deslocamento, utilizando,se

as variaes do sinal , de acordo com a expresso 3.5.

(3.s)

Fgura 3.7 - Pontecimetro como um sensor de posio (FRADEN, 1993).

A variao da resistncia em alguns potencimetros rcalizada por meio de bobinas.

O contato da lesistncia do potencitnetro pode ser realizado atravs de um ou dois fros

sirnultanearnente, resultando numa variao da tenso em "deglaus", conforme ilustla a

ligura 3.8.

V=ELD

objeto

))

Captulo 3 - Reviso Bbliogrfica

Figura 3.8 - Erros causados por potencimetros montados com bobinas (FRADEN, 1993).

Segundo FRADEN (1993), as principais desvantagens desse tipo de transdutor so:(a) necessidade de acoplamento fsicol (b) aquecimento causado pela tenso de excitao no

contato e (c) baixa estabilidade a fatores ambientais.

3.1.3. Grandezas fsicas e sensores utilizados no prottipo

FRADEN (oP,cit.) apresenta as grandezas e princpios fsicos relativos aos principais

parmetros medidos por sensores. So relaciona

v

velocidade

posio l

,iLx.

Figura 3.9 Representao vetorial da posio (A), velocidade (B) e acelerao (B) de um objeto(FRADEN, 1 993).

A velocidade ser o valor mdio, dado pela razo entre a diferena de posio para as

sucessivas leituras e o respectivo perodo de amostragem (dt). o sinal da velocidade indica osentido do movimento. Apesar do avano ser contnuo e unidirecional na perfurao, comum o registro de velocidades negativas, tanto pela forma de operao adaptada, imposta

execuo dos furos montorados, como pelo alvio da compresso e distenso da coluna deperfurao e do sistema de ancoragem da sonda. No prottipo foi adaptado um sensor dedeslocamento do tipo potencimetro rotativo (item 3. I .2.4.)

3.1.3.2. Velocidade e sensores de rotao

o movimento mais simples de rotao de um oorpo rigido a rotao em torno deum eixo fixo. Do ponto de vista cinemtico, a descrio desse movimento reduz-se domovimento circular numa seo transversal ao eixo. Esse o caso especfico clo lnovimento

da coluna de perfurao durante a opetao cla sonda.

Considerando como grau de liberdade de um sistema os parmetros que se necessita

fixar para especificar sua posio, tem-se nesse movimento uma condio com grau deliberdade igual a um, ou seja, a rotao pode ser descrita pelo ngulo de rotao (0) lomovimento circular. ssa condio permite uma analogia entre esse movimento c omovimento uuidirlensional, scndo que o fator que correlaciona as variveis lreares sangulares o raio r Qndulo do vetor posio), dstncia do ponto ou colpo cosider-ado a6

eixo de rotao (Quadro 3.3) G.{USSENZVEIG, 1981).

24

Grandeza Lnear AngularPoso S s=e r

Velocidade ds

dtd0

dtAcelerao

(at = componente tangencial)dva=-dt

dwa, =c.f =-.r'dt

Captulo 3 - Reyiso Biblogrfca

Quadro 3.3 - Relaes entre as grandezas lineares e angulares (NUSSENZVEIG, 1991 )

A velocidade angular pode ser tratada de maneira vetorial, i que poss.i direo esentido. sendo assim, defue-se vetor velocidade angular (), a par-tir. da velocidadeinstantnea de um ponto P do corpo rgido em rotao, com um deslocamento infinitesimal,

5s, durante um tempo infinitesimal t.

el -- lx rt/ (3 8)

Consideando-se s = r, ento, V = di/dt = oxi, sendo o vetor velocidade angular:

(3.e)

A magnitude do vetor corresponde ao valor j apresentado no euadro 3.3; suadireo a do eixo de rotao e o sentido, o de & (Figura 3.10).

Figura 3.10 - Representao vetorial da velocidade de rotao (NUSSENZVEIG, 1981),

A velocidade a'gular de rotao ou velocidade de rotao, como os dernaisparmetlos, tambm pode ser obtida por meio de diversos rntoclos fsicos. o pr.ottipo dosistema de nronitoramento optou pela instalao de anteparos nos eixos monitor.aclos etransdutoles sensveis sua presena. com a rotao, a passagem do anteparo na frente clo

=rilt--+0\

o'l_ do*J- o,

25

Capitulo 3 - Reviso Bbliografca

scr.rsol produz um pulso. ,4. f'eqncia desse sinal ou a contagem clos pulsos em um intel.r,alo

de ter.npo predeterminado permile a determinao da velocidade de rotao do eixo.

A preciso da leitura de rotao obtida no arranjo depende da quantidade cleantcparos instalados c do valor da velocidade angular, considerando-se uma fr-eqncia cleamostragem especfica. As condies de redida utilizadas para o eixo do motor. (doisantepalos - apenas na 1a etapa de testes) e para o eixo da coluna de perfurao (quatr.oanteparos) est representada na Figura 3. 1 1 .

4 anteparos (320 a 1 .600 rpm)

2 anteparos (1.800 a 2.900 rpm)

1 10 100 1000 l0oooVelocidade de rotao

Figura 3.11 - Valores do erro porcentual em funo da velocidade de rotao.

Uma preciso razovel (< l%) , observada para valores acima de 70 rpm. Essaliniitao do arranj o com o sensor no atinge as medidas realizadas no prottipo, uma vezque as rotaes observadas nos dois eixos possuem valores superiores: 320 a 1.600 rpm nacoluna e L800 a 2.900 rpm.

3.1.3.3. 'forque e sensores de torque

O vetor torque (t) definido pelo produto vetorial da posio (r) e da componentetangencial l'ora (F) com relao ao movimento:

=rxF (3.10)

Dessa forma, o vetor torque lalnbm par.alelo ao eixo de rotao, ou scja,perpendicular ao plano do movimento circular' (Figura 3.12).

100,000

: 10,000

g 1,ooocoob o,1oooru 0,010

0,001

o

Captulo 3 - Rev/so Bblogrfica

Figva 3.12 - Representao do vetor torque na colu na de perfurao (N U SS ENZVEIG, 1981 )

Um torque r positivo se produzil uma rotao anti-horaria no corpo, e negativo no

sentido contrr'io. O tratamento vetolial para a velocidade angular e o torque somente

possvel devido ao eixo do movimento de rotao permanecer fixo. Caso contrrio, somente

para deslocamentos angulares muito pequenos, a anlise vetorial seria vlida. Isso se deve s

grandezas angulares no obedecerem s legras da adio vetorial, especificamente. a que

ahrma que a ordem das parcelas no altela a soma.

Basicamente existem dois locais para a medida do torque na sonda: (a) na sada do

motor e (b) na coluna de perfurao. Os valores em cada um desses pontos podem ser

signihcativamente diferentes, devido caixa de cmbio entre ambos. As lelaes das

divelsas marchas alteram de maneira inversa o torque e a velocidade de rotao. Noprottipo, a medida foi realizada na sada do motor, devido lacilidade na instalao do

equipamento, sendo assim, todos os valores obtidos necessitaram ser corrigidos.

O princpio de funcionamento desses sensores baseia-se na determinao dasdeformaes geradas pelo momento de toro sobre um eixo. possvel encontrar no

mercado sensores de torque, porm a oferta de modelos e fabricantes muito menor, quando

comparada com os demais parmetros monitorados. A instalao de um aparelho disponvel

no ntercado apresentada na Figura 3 . 1 3.

r:l'.' .)1,"(x./.\ .'t'..-' . -"',-f: -, ^'i!; ,,, ' llli rlt/ t /,11 ')-[;J r ] 'lJt" )^r>'^*ril,.]l' ,iffi,

{l3!1fl.?,"-"

Figura 3.13 - lnstalao do sensor de torque (torsimetro) no exo de um motor (HBM, s.d.).

27

Capitulo 3 - Reviso Bibliogrfica

Oulla I'olma dc obteno do tolque seria por neio da calibtao do nlotor. Molores

como o da sonda perrnitern o nonilolarnento do lorque aplicado. utilizando-se a posio da

alavanca do acelelador e a porcentagem da acelerao total colrespondeute. Essa condio

de operao est relacionada quantidade de combustvel, no caso, leo diesel, injetado no

motor. Para cada nvel de potncia, as diferentes velocidades de rotao significam

diferentes torques irnpostos pelo motor. No caso do r.notor M-790 da Agrale, essa curva est

representada na Figura 3.14 para a cor.rdio de 100% da potncia do motor (plena carga).

a -- a-- ...., a- -- { a

\

/\/\,

2.::1:16f - 2-12f + 1E-oBf - 5F.0sf + 0;0g96f - 89;3b9x+ 36g66 \

R'?= 0.9937

6

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000Rotao (RPttf)

Figura 3.14 - Curva de torque fornecida pelo fabrcante do motor da sonda.

A principal dificuldade desse prooedimento reside no fato dos fabricantesdisponibilizarem esta curva apenas para a condio de 100% da potncia do motor. Muitas

vezes a execuo do furo exige a operao em condies diferentes. Por esse motivo, sero

necessrias curvas para outros nveis de potncia do motor, permitindo uma avaliao mais

precisa. A porcentagem da acelerao total do motor pode ser cortrolada utilizando-se um

sistema de marcas no acelerador da sonda. Essa forma de estimativa do totque traz uma forte

dependncia das condies do motor, sendo signihcativamente alterada pela sua regulagem e

manuteno, alm de ficar sujeita a outras variveis, como a qualidade do cornbustvel,

presso ahosfrica, etc. Uma desvantagem desse tipo de controle a uecessidade de

alries peridicas e o custo envolvido.

Quando medido antes do sistema de transmisso, o valor do torque necessita ser

corrigido pelo valor de reduo de suas marchas (relao das marchas no cmbio). O torque

na sonda aumenta na proporo inversa da relao de engrenamento.

68

67

66c2uu5.b oF

63

Captulo 3 - Reviso Bblogrfica

A estimativa do lorque pode tanlbm ser obtida corn a instalao dileta de "strain

gages" r.ro eixo da coluna de perfurao (instrumentao do eixo). Essa soluo no

considetada convencional, dependendo do desenvolvirnento desse sistema de nlonitorarnento

contlole e envolvendo custos no previstos no projeto.

J.1.1.4. Presso ern ll uido:

Para um fluido em l'epouso, presso definida como a fora F exercidapelpendiculalmente em uma unidade de rea com superfcie limitada.

Uma vez que presso (p= dF/dA) pode ser transformada em fora, por. meio de sua

atuao em uma rea conrecida. os mtodos de medio de ambas as grandezas so

essencialmente os lnesmos (exceo s medidas de alto vcuo). As esoalas rnais comuns para

a medio de presso so: presso relativa e presso absoluta. A lelao entre as trs escalas

ilustrada na Figura 3.15 (ISMAIL et a1.,1998).

Convenciona-se chamar de presso atmosfrica a presso do ar ao nvel clo mar."presso Gage" a presso relativa presso atmosfrica, da mesma forma que a presso

absoluta a presso total, incluindo a presso atmosfrica local. Portanto, os sensores de

"presso gage" sofrem influncia da presso atmosfrica, uma vez que ela prpria o"datum" de referncia. Os sensores de presso do sistema de monitoramento registram a

"presso gage". Os valores medidos sero da ordem de at dezenas de kgf/cm2, niuitosuperiores variao baromtrica diria ou mesmo quela originada por variaes de altitude

Iocal. Para efeitos prticos, essas variages podem ser desprezadas.

presso relativa(guge\

presso absoluta

presso relativa(gauge\

presso absoluta

vcuo parcial

vcuo total

Figura 3.15- Escatas de presso (lSMAlL e a/., i 99B).

Para os seltsores cle presso existe lambrn glande variedadc nos tipos cle aparelho.

Apesar dessc fato, na maiolia dos aparelhos o princpio fsico est r'elacionado defor.mao

imposta pela presso e sua respectiva medida:

29

Capitulo 3 - Reviso Biblogrfca

Medidores c trarsdutores de rresso clsticos

'lanto medidores mecnicos, como transdutoles eltricos podern utilizar diferentes

elementos elsticos para a medida de presso. Os elemenfos sensveis mais comuns so (a)

tubos de Bourdor.r, (b) dialragrnas e (c) foles (ISMAIL et a/., 1 998) (Figura 3. I 6).

Os foles apresentam a vantagem de possuir linear.idade na relao presso/deslocamento, quando operando em compresso (ISMAIL et al., op,ci/.).

ubo Soo Transvstsal

absoulo

DTAGFRAGMAS (b)

FoLEs DIFERENcIAL ouABsoLUTo (c)

Figura 3.16 - Tubos de Bourdon (a), diafragmas de presso (b) e foles (c) (lSMAIL ef a/.,.1998).

os diafragmas metlicos so usados como sensores de medio para pressesrelativamente baixas. A geometria mais comum a de disco plano circular, porm paradimctros maiores utilizam-se discos conugados, que fornecem rnaior resistncia mecnica,

maior deflexo e boa linearidade na faixa baixa de presso (ISMAII, et al., op.cit.). se aespessura da membana no desprezvel (raio/espessura < 100) a membrana chamada cleplaca fina (FRADEN, 1993) (Figura 3.17).

J./lV'-'lL;a

-l-Hollcoldal

(a)

---r -N-r-.-tJ

Plano

:-NCotngado

\\^V,unxrls / I .-.\:h

I

\iK*"Cpsula

Dlf6rncll

7=\- 1', ,)"( i''ar)l "-.,-t!--'-\ \Y ,4tl -.* J.Tlpo C Esplral Tubo torcido

Figura 3.'17 - Diafragmas de presso, Placa fna (A) e membrana (B)

Capitulo 3 - Rey/so Bblogrfica

Diat'agmas planos so largamente usados em tlansdutoes eltrcos, detectando-se a

de1'lexo de seu centlo, ou utilizando-se strdin gages na sua superfcie.

Potencimctro (transdutor resistivo dc contato rnvcl)

O potetrcimetro (3.1 .2.4) , dispositivo para transformao de deslocamento linear ou

angular em sinal eltlico, pode ser utilizado, juntamente com outro elemento elstico, par.a

rnedidas de fora ou presso, Este tipo de transdutor de presso composto por tr.s pattes:

(a) o elemento sensor de presso, (b) a mola de referncia e (c) o elemento de r.esistncia,

Utilizando-se foles como elemento sensor possvel eliminar a mola de referncia.

O resumo comparativo entre os diversos tipos de transdutores de presso apresentado no Quadlo 3.4. Segundo ISMAIL et al. (1998), os tipos de sensores de pressoellricos so: (a) Strain gage, (b) capacilncia varivel; (c) piezoeltrico; (c) LVD'I ; (c)relutnoia varivel; (d) resistncia varivel. Essa classihcao considera a lorma de medida

de deslocamento do elemento elstico do sensor.

O funcionamento dos sensores de presso escolhidos par.a o monitolamento daspresses no equipamento (gua e leo) baseia-se em r.esistncias do tipo "strain gage,', asquais so coladas sobre uma membrana frna (da ordem de 0,4 mm) que se deformaelasticamente na faixa de presses a que o transdutor se aplica. Essa deformao gea uma

variao no valor da resistncia do "strain gage", que,ligado em um dos ,,braos,, de umaPonte de Ilheatstone a desbalancear (3.1.2.1. e 3.1.2.2). ste desbalanceamento seftidopor um amp.lificador dinmico que fornecer um valor eDl teDso proporcional pressoaplcada ao sensor.

J

Tipo

"Strain-gages"

Sensores tpicos

Capactncavarivel

Quadro 3.4 - Resumo comparatvo dos transdutores de presso (adaptado de rsNIAlL ef. a/., 199g)

LVDT

Diafragma,bourdon ou foles

Histerese(%l

Reslsfnc/avarvel

Diafragma

Dafragma,bourdon ou foles

Pezoeltrco

Lineardade(%l

0,25

Relutncavarvel

Foles ou bourbon

0,02

0

Sada total circuitoaberto

Cristal ouelemento cermico

1

0

Diafragma,bourdon ou foles

Colado: 2-4 mVDescolado: 3-6mVSemicondutor:25 - 50 mV

0,5

NJ

0,5 -1,0

0,5 -1

0.25 V ./

,0

Resposta aacelerao,vibrao e

rudo

0

0,2 - '1,0

0,1 -5,0V (p/6,3ventrada)

0,2 - 0,3

Baixo para altapresso

0,5

< 75V

Establidade trmica

0,5 - 1.0

Baxo, masobservvel

35 - 200 mV/psl

Baxo

excelente comcompensao

0,05-0,1v,/

Deslocamento deo.o2%f F

%desobre-carga

Vibrao abaixa presso

Na excitao baixa,variao deresistncia nabobina

Aprecivel comrudo elementar

Comentrios:vantagens e

desvantagens

100

Baixo 0,1 % daescala

Deslocamento de0,02%fF

Resposta rpida;excitao AC/DC;fcil calibrao:baixo sinal de saida

100

Deslocamentostrmcos

Deslocamento de0.oz%fF

Sensvel temperatura

Alta amplicidade desaida: respostalenta

50

50 - 100

Custo baixo,AC/DC, sensvel avibraco

< 600

Resposta rpidasensvel umidade

Resistente achoques mecnicos;AC/DC

Capitulo 3 ^ Reyrso Bibliogrfica

3.1.3.5. Vazo de lquidos ern tubulao

Na rnovimentao de um fluiclo em regirne do escoanel)to no Lulbuleulo, a trajetria

dos pontos em movirnento define as linhas de fluxo, sendo o vetor velocidade tangente em

cada ponto dessa linha. Qualquer limite do fluxo que contenha um conjunto de linhas

denomiuado de tubo dc fluxo (Figura 3.184). O volure (trJ eslabelecido pelodeslocamento (r) de uma deterr.r.rinada rea (dA) (Figula 3.188), perpendicular s linhas de

fluxo, em um intervalo de tempo (1t). Esses fatorcs estabelecem a vaz,o ou fluxo do l'luido

(21), dado por:

V eA.x.dA r^=-= l-'-"

_ lv.rtA (3.10rA J AI J

tubulao

l

Figura 3.18 - Tubo de Fluxo (A) e fluxo atravs de um plano (B) e perfil de velocdade de fluxo emtubulao (C) (FRADEN, 1993).

Dentro cle tubulaes, observa-se que a velocidade no constante ao longo da seo

do tubo (Figura 3.18 C). Dessa forma, adequado determinar a velocidade mdia ao longo

da seo. Via de regra, os sensores de vazo medem essa velocidade mdia (ur), a qual,j urfarnente com a dimenso da tubulao (dimetro), perrnitem a determinao da vazo ou

rluxo I vdA,'" = - ,q (3.11)

A yazo pode ser ainda considelada em termos de escoamenlo mssico, ou scja,alguns rntodos consideram a mssa que atravessa a seo da tubulao por unidade de

tempo, ao invs do volurne.

Da mesma l'orma que as grandezas fsicas anteriores, o controle da vazo emtubulaes possui uma grande variedadc de aparelhos e de prncipios lsioos t.leluncionamento. A classificao dessas tcnicas e mtodos varia de acoldo com os diversos

autores. Ser apresentada uma classificao baseada plincipalmente em FRADEN (1993) e

ISMAIL et al. (1998).

(b)

(c)

Captulo 3 - Reyiso Bblogrfica

(a) Mtodos de deslocamenlo volumtlico: r.nedidotes de pislo, ps excnlricasengenagem, etc.

Mtodos de diferena de presso (tubos de Venturi, placa de olifcios, etc.)

Mtodos de velocidade mdia global.

ssa categoria de medidores de vazo (c) , perlencente classificao de ISMAIL

a/, (1998), engloba os sensores rnagnticos. os ultra-snicos. os do tipo turbina. osmedidores de corrente, os do tipo vr'tice, etc.

O princpio de funoionalnento dos sensores cletromagnticos de vazo laseia-se a

Lei de Faraday, que afirma que um lquido condutor, atravessado por linhas de fluxo de um

campo magntico" gera unra fora eletromagntica (f.e.nt.) com intensidade proporcional

velocidade do lquido (FRADLN, 1993).

O campo magntico gerado pela passagem de corrente cltrica nas bobinas deexcitao (Figura 3.19)