pRospEcçno cEolÓclco-c eorÉc N lcA

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  • 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,....

    II

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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

    pg ina

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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

    58o

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    bU

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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)