Equipamentos de uma sonda de perfuração

Profª: Manuella Pereira

Fortaleza, 24 de Maio de 2014

EQUIPAMENTOS DA SONDA DE

PERFURAÇÃO

Curso Técnico em

Petróleo e Gás.

Equipamentos da Sonda de Perfuração

PerfuraçãoEquipamentos de uma sonda de perfuração

Sistema de sustentação de cargas; Sistema de geração e transmissão de energia; Sistema de movimentação de cargas; Sistema de rotação; Sistema de circulação; Sistema de segurança do poço; Sistema de monitoração; Sistema de subsuperfície (coluna de perfuração)

Bibliografia

A perfuração de um poço é realizada através de uma sonda;

Na perfuração rotativa, as rochas são perfuradas pela ação darotação e peso aplicados a uma broca existente naextremidade de uma coluna de perfuração;

Os fragmentos das rochas são removidos continuamenteatravés do fluido de perfuração (lama);

O fluido é injetado por bombas para o interior da coluna deperfuração através da cabeça de injeção (swivel), e retorna àsuperfície através do espaço anular formado pelas paredes dopoço e a coluna;

Perfuração

Ao atingir uma determinada profundidade, a coluna deperfuração é retirada do poço e uma coluna de revestimentode aço, de diâmetro inferior ao da broca, é descida no poço;

O espaço anular entre os tubos do revestimentos e asparedes do poço é cimentado com a finalidade de isolar asrochas atravessadas, permitindo então o avanço daperfuração com segurança;

Após a operação de cimentação, a coluna de perfuração énovamente descida no poço, tendo na sua extremidade novabroca de diâmetro menor do que a do revestimento para oprosseguimento da perfuração;

Portanto, um poço é perfurado em diversas fases,caracterizadas pelos diferentes diâmetros de brocas.

Os equipamentos de uma sonda rotativa são agrupados nos

chamados “sistemas” de uma sonda. Os principais sistemas são:

Sistema de sustentação de cargas;

Sistema de geração e transmissão de energia;

Sistema de movimentação de cargas;

Sistema de rotação;

Sistema de circulação;

Sistema de segurança do poço;

Sistema de monitoração;

Sistema de subsuperfície (coluna de perfuração).

O sistema de sustentação de cargas é constituído de:

• Mastro ou torre;

• Subestrutura;

• Base ou fundação.

A carga correspondente ao peso da coluna de perfuração ou revestimento

que está no poço é transferida para o mastro ou torre, que por sua vez a

descarrega para subestrutura e esta para fundação ou base.

Em perfurações marítimas pode não existir fundações.

Torre ou Mastro

É uma estrutura de aço especial, de forma piramidal, demodo a prover um espaçamento vertical livre acima daplataforma de trabalho para permitir a execução damanobra (operação de substituição da broca);

Em alguns casos possui mais de 45 metros de altura;

A torre é constituída de um grande número de peças quesão montadas uma a uma;

O mastro é uma estrutura treliçada ou tubular que após serbaixada pelo guincho da sonda, é subdividida em três ouquatro seções, os quais são transportados para a locaçãodo novo poço, onde são montadas na posição horizontal eelevadas para a vertical;

O mastro é preferido em perfurações terrestres devido afacilidade e economia de tempo.

Mastro da sonda

Sistema de Sustentação de Cargas

Subestrutura: É constituída de vigas de aço especial montadassobre a fundação ou base da sonda, de modo a criar umespaço de trabalho sob a plataforma, onde são instalados osequipamentos de segurança do poço;

Fundações ou bases: São estruturas rígidas construídas emconcreto, aço ou madeira que, apoiadas sobre solo resistente,suportam com segurança as deflexões, vibrações edeslocamentos provocados pela sonda;

Estaleiro: É uma estrutura metálica constituída de diversasvigas apoiadas acima do solo por pilaretes. Fica posicionadona frente da sonda e permite manter as tubulações(comandos, tubos de perfuração, revestimentos, etc.)dispostas paralelamente a uma passarela para facilitar seumanuseio e transporte.

Sistema de Sustentação de Cargas

Fontes de Energia

◦ A energia necessária para acionamento dos equipamentos de umasonda de perfuração é normalmente fornecida por motores diesel;

◦ Nas sondas marítimas em que exista produção de gás é comum eeconômica a utilização de turbinas a gás para geração de energiapara toda a plataforma;

◦ Quando disponível, a utilização de energia elétrica das redespúblicas pode ser vantajosa, principalmente quando o tempo depermanência da sonda em cada locação for elevado;

◦ A depender do modo de transmissão de energia para osequipamentos, as sondas de perfuração são classificadas emsondas mecânicas ou diesel-elétricas.

Sondas Mecânicas

◦ A energia gerada nos motores diesel é levada a umatransmissão principal (compound) através de acoplamentoshidráulicos (conversores de torque) e embreagens. Ocompound é constituído de diversos eixos, rodas dentadase correntes que distribuem a energia a todos os sistemasda sonda.

◦ As embreagens permitem que os motores sejam acopladosou desacoplados do compound, propiciando maioreficiência na utilização dos motores diesel.

Esquema de uma sonda mecânica com cinco motores diesel

Sondas diesel-elétricas◦ As sondas diesel-elétricas são do tipo AC/DC, no qual a geração é

feita em corrente alternada e a utilização em corrente contínua.

◦ Motores diesel ou turbinas a gás acionam geradores de correntealternada (AC) que alimentam um barramento trifásico de 600 volts.Este barramento, alternativamente, também pode receber energia darede pública.

◦ Pontes de retificadores controlados de silício (SCR) recebem a energiado barramento e a transformam em corrente contínua, que alimentaos equipamentos da sonda.

◦ Os equipamentos auxiliares da sonda ou plataforma, iluminação ehotelaria que utilizam corrente alternada, recebem a energia dobarramento após passar por um transformador.

◦ As sondas diesel elétricas com sistema do tipo AC/AC têm usoincipiente, mas com tendência a aumentar no futuro. A energia éfornecida por motores diesel, turbinas a gás ou através da redepública.

Esquema de uma sonda AC/DC, típica de sonda marítimas

O sistema de movimentação de cargas permite movimentar ascolunas de perfuração, de revestimento e outrosequipamentos;

Os principais equipamentos são :

◦ Guincho

◦ Bloco de Coroamento

◦ Catarina

◦ Cabo de perfuração

◦ Gancho

◦ Elevador

Guincho: Recebe a energiamecânica necessária para amovimentação de cargasatravés da transmissãoprincipal, no caso da sondadiesel, ou diretamente de ummotor elétrico acoplado a ele,nas sondas elétricas.

É constituído por: Tamborprincipal, tambor auxiliar oude limpeza, freios, molinetese embreagens;

Sistema de Movimentação de

Cargas

GUINCHO

O tambor principal tem a função de acionar o cabo de perfuração, movimentadoas cargas dentro do poço;

O freio é um mecanismo de grande importância numa sonda. Ele realiza asfunções de parar ou retardar o movimento de descida de carga no poço,permitindo ainda a aplicação e controle de peso sobre a broca. Usualmente sãoempregados dois tipos de freios numa sonda: o freio principal, que é mecânicopor fricção, tem a função de parar e assim manter a carga que está sendomovimentada, e o freio secundário, que é hidráulico ou eletromagnético, e tem afunção de apenas diminuir a velocidade de descida da carga, de modo a facilitar aatuação do freio principal;

O tambor auxiliar ou de limpeza é instalado no eixo secundário do guincho,ficando posicionado acima do tambor principal. Tem a função de movimentarequipamentos leves no poço, tais como registradores de inclinação e direção dopoço, amostradores de fundo, equipamentos de completação e testes do poço,etc;

O molinete é um mecanismo tipo embreagem que permite tracionar cabos oucordas. Há dois tipos de molinetes, numa sonda: o molinete das chavesflutuantes, para apertar ou desapertar as conexões da coluna de perfuração ourevestimento, e o giratório (cathead) que permite o içamento de pequenas cargasquando nele for enrolado uma corda (catline)


Cargas

Bloco de Coroamento: É um conjunto estacionário de 4 a 7 poliasmontadas em linha num eixo suportado por dois mancais dedeslizamento, localizado na parte superior do mastro ou torre. Obloco suporta todas as cargas que lhe são transmitidas pelo cabo deperfuração.


Cargas

• Catarina:É um conjunto de 3 a 6 polias

móveis montados em um eixo que se

apóia nas paredes externas da

própria estrutura da Catarina.

Fica suspensa pelo cabo de

perfuração que passa

alternadamente pelas polias do bloco

de coroamento e polias da Catarina,

formando um sistema com 8 a 12

linhas passadas. Na parte inferior da

Catarina encontra-se um alça pela

qual é preso o Gancho


Cargas

Gancho: Consiste de um corpo cilíndrico que internamentecontém um sistema de amortecimento para evitar que osgolpes causados na movimentação das cargas se propaguempara a Catarina.

Cabo de perfuração: É um cabo de aço trançado em torno deum núcleo ou alma, sendo que cada trança é formada pordiversos fios de pequeno diâmetro de aço especial. O caboproveniente do carretel é passado e fixado numa âncorasituada próxima a torre, onde se encontra um sensor paramedir a tensão no cabo, a qual está relacionada com o pesototal sustentado pelo guincho. Daí, ele é passado no sistemabloco-catarina e enrolado e fixado no tambor do guincho.


Cargas

Elevador: É um equipamento com a formade anel bipartido em que duas partes sãoligadas por dobradiças resistentes,contendo um trinco especial para o seufechamento. É utilizado para movimentarelementos tubulares (tubos de perfuração ecomandos).

Sistema bloco de coroamento-catarina

Nas sondas convencionais, a coluna de perfuração é giradapela mesa rotativa localizada na plataforma da sonda. Arotação é transmitida a um tubo de parede externa poligonal,o kelly, que fica enroscado no topo da coluna de perfuração;

Nas sondas equipadas com top drive, a rotação é transmitidadiretamente ao topo da coluna de perfuração por um motoracoplado à catarina. O conjunto desliza em trilhos fixos àtorre, onde o torque devido a rotação da coluna é absorvido;

Existe ainda a possibilidade de se perfurar com um motor defundo, colocado logo acima da broca. O torque necessário égerado pela passagem do fluido de perfuração no seuinterior. Este motor pode ser de deslocamento positivo ouuma turbina;

O sistema de rotação convencional é constituído deequipamentos que promovem ou permitem a livre rotação dacoluna de perfuração. São eles: Mesa rotativa, o kelly e acabeça de injeção (swivel).

Mesa Rotativa: É o equipamento que transmite rotação àcoluna de perfuração e permite o livre deslizamento do kellyno seu interior. Em certas operações, a mesa rotativa devesuportar o peso da coluna de perfuração.

Sistema de Rotação

Mesa rotativa e o Kelly

Kelly◦ É o elemento que transmite a rotação proveniente da mesa

rotativa à coluna de perfuração;

◦ Pode ter dois tipos de seção:

Quadrada: Em sondas de terra é a mais comum

Hexagonal: Em sonda marítimas, pela sua maior resistência a torção, tração e flexão.


Kelly de seção quadrada e de seção

hexagonal

Cabeça de Injeção (swivel):

É o equipamento que separa oselementos rotativos daquelesestacionários na sonda deperfuração. Sendo assim, a partesuperior não gira e sua parteinferior deve permitir rotação.

O fluido de perfuração é injetadoatravés da cabeça de injeção.


Swivel

Sistema Top Drive apoiado pela

catarina e swivel convencionais

Sistema de RotaçãoExistem dois sistemas alternativos de

aplicação de rotação na broca:

1. Top Drive: A perfuração realizada

com um motor conectado no topo

da coluna (top drive) elimina o uso

da mesa rotativa e do kelly.

O sistema top drive permite perfurar o

poço de três em três tubos, ao invés de

um a um, quando a mesa rotativa é

utilizada.

Permite também que a retirada ou

descida da coluna seja feita tanto com

rotação como com circulação de fluido

de perfuração pelo seu interior. Isto é

importante em poços de alta inclinação

ou horizontais.

2. Motor de Fundo◦ Nesse caso um motor hidráulico tipo turbina ou de

deslocamento positivo é colocado acima da broca;◦ O giro só se dá na parte inferior do motor de fundo,

solidário à broca;◦ Equipamento largamente empregado na perfuração de

poços direcionais;◦ Como a coluna de perfuração não gira, o torque imposto a

ela é nulo e o seu desgaste fica bastante reduzido.


Motor de fundo

tipo turbina

São os equipamentos que permitem a circulação e o tratamento do fluido deperfuração.

Numa circulação normal, o fluido de perfuração é bombeado através dacoluna de perfuração até a broca, retornando pelo espaço anular até asuperfície, trazendo consigo os cascalhos cortados pela broca. Na superfície,o fluido permanece dentro de tanques, após receber o tratamento

adequado.

Sistema de Circulação

Fase de Injeção: O fluido deperfuração é succionado dostanques pelas bombas de lamae injetado na coluna deperfuração até passar para oanular entre o poço e a colunapor orifícios na brocaconhecidos como jatos debrocas.

Fase de Retorno: Esta fase teminício com a saída do fluido deperfuração nos jatos de brocae termina ao chegar na peneiravibratória, percorrendo oespaço anular entre a colunade perfuração e a parede dopoço ou o revestimento.


Bombas de lama tipo triplex

Fase de Tratamento ou Condicionamento : Consiste na eliminação de sólidosou gás que se incorporam ao fluido durante a perfuração e, quandonecessário, na adição de produtos químicos para ajustes de suaspropriedades.

◦ O primeiro equipamento utilizado é a peneira vibratória, que tem a funçãode separar os sólidos mais grosseiros do fluido de perfuração, tais comocascalhos e grãos maiores que areia;

◦ Em seguida, o fluido passa por um conjunto de dois a quatrohidrociclones de 8” a 20” conhecidos como desareiadores, que sãoresponsáveis por retirar a areia do fluido;


Posteriormente, o fluido passa pelo dessiltador, um conjunto de 8 a 12hidrociclones de 4” a 5”, cuja função é descartar partículas de dimensõesequivalentes ao silte;

◦ O equipamento seguinte é o mud cleanner, que é um dessiltador com umapeneira que permite recuperar partículas. Parte desse material édescartado e parte retorna ao fluido, reduzindo os gastos com aditivos.


◦ Algumas sondas utilizam ainda uma centrífuga, que retira partículas aindamenores que não tenham sido descartadas pelos hidrociclones.

◦ Um equipamento sempre presente na sonda é o desgaseificador, queelimina o gás do fluido de perfuração. Durante a perfuração de umaformação com gás, ou quando da ocorrência de um influxo de gás contidona formação para dentro do poço, as partículas de gás se incorporam aofluido de perfuração e a sua recirculação no poço é perigosa.


– Equipamentos de extração de sólidos

Sistema de Circulação de Fluidos

◦ O objetivo deste sistema é evitar uma invasão descontrolada de fluidos da formação para o poço.

◦ É constituído dos equipamentos de Segurança de Cabeça do Poço (ESCP) e de equipamentoscomplementares que possibilitam o fechamento e controle do poço;

◦ O mais importante é o Blowout Preventer (BOP), que é um conjunto de válvulas que permite fechar opoço;

◦ Os preventores são acionados sempre que houver ocorrência de um kick (fluxo indesejável dofluido contido numa formação para dentro do poço). Se este fluxo não for controladoeficientemente poderá se transformar em um blowout (poço fluindo totalmente sem controle) ecriar sérias consequências, tais como dano aos equipamentos da sonda, acidentes pessoais, perdaparcial ou total do reservatório, poluição e dano ao meio ambiente, etc.

Os principais elementos do sistema de segurança são:◦ Cabeça do Poço: É constituída de diversos equipamentos que

permitem a ancoragem e vedação das colunas de revestimento nasuperfície. São eles: cabeça de revestimento, carretel deperfuração, adaptadores, carretel espaçador e seus acessórios;

◦ A Cabeça de revestimento é o primeiro equipamento a seradaptado no topo do revestimento de superfície, com asfinalidades de sustentar os revestimentos intermediários e deprodução através de seus suspensores, de propiciar vedação doanular do revestimento intermediário ou de produção com aprópria cabeça permitindo o acesso a este anular e de servir debase para a instalação dos demais elementos da cabeça do poço epreventores.

◦ O suspensor de revestimento é o elemento que permite aancoragem do revestimento e a vedação do anular desterevestimento com o corpo da cabeça na qual foi ancorado. Avedação é feita automaticamente quando o peso do revestimentofor aplicado provocando a extrusão de um elemento de borracha.

Cabeça de poço de superfície

O carretel de revestimento é um equipamento semelhante à cabeçade revestimento, só que apresenta mais um flange na parte inferior.Possui, também duas saídas laterais para o acesso ao espaço anulare um alojamento para assentamento do suspensor do revestimentoa ser descido posteriormente. Contém elementos de borracha naparte interna para vedação secundária no topo do revestimentodescido anteriormente;

A cabeça de produção é também um carretel que possui, em suaparte inferior interna, uma sede para receber os elementos devedação secundária que atuam no topo do revestimento deprodução, de modo a impedir a passagem de pressões altas,geralmente superiores à resistência do flange inferior. Na parteinterna superior possui sede para receber o tubing hanger, quesustenta a coluna de produção. Apresenta também duas saídaslaterais para acesso ao espaço anular.

O carretel de perfuração é um equipamento contendo flanges deligação no topo e na base e com duas saídas laterais flangeadas querecebem as duas linhas de controle do poço, a linha de matar (killline) e a linha de estrangular (chock line).

Preventores◦ Permitem o fechamento do espaço anular e podem ser de

dois tipos: preventor anular e preventor de gaveta.◦ O preventor anular tem a função básica de fechar o espaço

anular de um poço e consta de um pistão que, ao serdeslocado dentro de um corpo cilíndrico, comprime umelemento de borracha que se ajusta contra a tubulação queesteja dentro do poço.

◦ O preventor anular atua em qualquer diâmetro de tubulaçãoe pode até mesmo fechar um poço sem coluna, emboraeste procedimento cause dano ao elemento de borracha.

◦ O preventor de gavetas tem a função de fechar o espaçoanular do poço pela ação de dois pistões que ao seremacionados hidraulicamente deslocam duas gavetas, umacontra a outra, transversalmente ao eixo do poço.

Quanto ao arranjo dos preventores, normalmenteem terra se utilizam três: um anular e dois degavetas.

No mar há duas possibilidades: Nas plataformasfixas ou apoiadas no fundo do mar, em que osequipamentos operam na superfície, se trabalhacom um preventor anular e três ou quatro degavetas. Nas plataformas flutuantes, navios esemi-submersíveis, em que os equipamentos desegurança operam no fundo do mar, normalmentese trabalha com dois preventores anulares e trêsou quatro de gavetas.

Arranjo típico de um conjunto BOP

São os equipamentos necessários ao controle da perfuração:manômetros, indicador de peso sobre a broca, indicador detorque, tacômetro, etc.

Com o progresso da perfuração observou-se que um máximode eficiência e economia seria atingido quando houvesse umaperfeita combinação entre os vários parâmetros daperfuração. Disto surgiu a necessidade do uso deequipamentos para o registro e controle desses parâmetros.Eles podem ser classificados em indicadores, que apenasindicam o valor do parâmetro em consideração, eregistradores, que traçam curvas dos valores medidos.

Os principais indicadores são o indicador de peso no ganchoe sobre a broca, o manômetro que indica a pressão debombeio, o torquímetro para o torque na coluna.

TOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia doPetróleo. Editora Interciência, Rio de Janeiro, 2001.

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