Utilização correta de brocas tricônicas
Como a litologia da formação afeta a falha da broca A litologia da formação influencia o desempenho da perfuração de diversas maneiras: afeta a taxa e a extensão da perfuração, pode causar problemas complexos de perfuração, como perda de circulação, influxos, colapso do poço e aprisionamento da coluna de perfuração, altera o comportamento do fluido de perfuração e afeta a qualidade do poço (desvio e diâmetros irregulares), o que, por sua vez, impacta a qualidade da cimentação. Analisar a litologia e seu comportamento durante a perfuração é essencial para selecionar a broca apropriada e avaliar se seu uso é viável.
Argilas, folhelhos siltosos e xistos: Essas formações absorvem facilmente a água livre do fluido de perfuração e incham, reduzindo o diâmetro do furo e criando resistência à penetração, o que pode levar ao aprisionamento da tubulação. A imersão prolongada também pode causar desmoronamento e alargamento do furo, resultando em colapso. Use água doce ou lama de baixa densidade e baixa viscosidade sempre que possível. Folhelhos carbonáceos têm baixa coesão e são propensos a colapso. Formações macias e ricas em argila perfuram rapidamente, mas são vulneráveis ao entupimento da broca.
Arenitos: As propriedades dos arenitos variam muito com o tamanho dos grãos, a composição mineral e o tipo de cimento. Grãos mais finos, maior teor de quartzo e cimento silicioso ou rico em ferro tornam a rocha mais dura e abrasiva, aumentando o desgaste da broca (ex.: arenito quartzoso). Mais cimento argiloso, mica ou feldspato tornam a rocha mais macia e fácil de perfurar. Grãos mais grossos e cimentação deficiente aumentam a permeabilidade e elevam o risco de perda de fluido; uma espessa camada de fluido de filtração pode se formar na parede do poço, causando aderência e problemas de travamento, levando a uma operação anormal da broca.
Conglomerados: A perfuração em conglomerados frequentemente causa vibração da broca, trepidação e ruptura das paredes do poço. Se a vazão da bomba for baixa ou a viscosidade da lama for insuficiente, as partículas do tamanho de cascalho não retornam facilmente à superfície; detritos maiores podem danificar os cones e dentes da broca.
Calcários: Tipicamente duros, com penetração lenta e comprimento de perfuração limitado. Muitos calcários desenvolvem fraturas, geodos e cavidades; encontrá-los pode causar travamento da broca, erosão, perda de circulação e, ocasionalmente, influxos ou erupções. O calcário afeta fortemente a penetração, a taxa de perfuração mecânica e o desgaste da broca. Camadas alternadas de rocha dura e macia (por exemplo, argilito intercalado com arenito duro) e formações com grande inclinação aumentam a probabilidade de desvio do furo; danos à broca são mais prováveis ao perfurar furos com grande desvio. Camadas de sais solúveis (gesso, halita, etc.) podem degradar as propriedades da lama de perfuração e prejudicar o desempenho normal da broca.
Parâmetros de perfuração e seus efeitos Os principais parâmetros controláveis no processo de perfuração são o peso sobre a broca (WOB), a velocidade de rotação (RPM) e a taxa de circulação da lama. Esses parâmetros devem ser selecionados com base nas condições da formação, no tipo de broca, nas capacidades da sonda de perfuração e na habilidade do operador. Os parâmetros de perfuração são comumente classificados como:
Parâmetros de perfuração otimizados: aqueles que proporcionam o melhor resultado econômico em determinadas condições.
Parâmetros de perfuração agressivos (ou aprimorados): valores superiores ao normal para alcançar maiores taxas de penetração.
Técnicas especiais de perfuração: métodos específicos ou conjuntos de parâmetros restritos utilizados para objetivos particulares.
A escolha de parâmetros diferentes exige tipos diferentes de brocas; as brocas falham por mecanismos diferentes sob diferentes condições de perfuração e devem ser tratadas de acordo.
2.1 Efeito do peso na broca (WOB) O WOB é a condição essencial para a quebra da rocha na face da broca. A magnitude do WOB determina o modo e as características de quebra da rocha e afeta diretamente a taxa de penetração e o desgaste da broca. Sob carga axial e torque rotacional, os dentes de corte se desgastam, perdem o fio ou falham ao pressionarem e cisalharem a rocha, o que obviamente afeta a penetração. À medida que o WOB aumenta, a penetração geralmente aumenta, mas os mancais e os dentes de corte se desgastam mais rapidamente, o que, por sua vez, afeta a penetração. A relação entre WOB e penetração muda em três estágios distintos:
Estágio de fratura superficial: Quando o peso sobre a broca (WOB) é menor que a dureza de indentação da rocha, os dentes de corte não conseguem penetrar, apenas abrasam a superfície da rocha. O desgaste é alto e a penetração é baixa, embora a penetração aumente proporcionalmente ao aumento do WOB.
Estágio de fratura por fadiga: Quando a força de ruptura (WOB) se aproxima da dureza de indentação da rocha, a ação repetida dos dentes gera muitas fissuras superficiais e ocorre fragmentação progressiva mesmo sem penetração completa.
Estágio de fratura em massa: Quando a força de perfuração (WOB) excede a dureza de indentação da rocha, os dentes penetram e produzem fratura em massa; a perfuração torna-se eficiente e este é o regime normal de perfuração. Portanto, a força de perfuração aplicada deve ser suficiente para permitir que os dentes penetrem e produzam fragmentação em massa.
Dobrar o WOB em testes com brocas tricônicas mostrou que diferentes rochas respondem de forma distinta: rochas de dureza média (classes 6-7) exibem o maior aumento na taxa de penetração; rochas mais macias (classes 4-5) e mais duras (classes 8-9) apresentam aumentos menores. A perfuração de formações macias e adesivas pode causar pontes de lama e travamento da broca, portanto, o WOB deve ser relativamente baixo. Em formações altamente abrasivas, um WOB insuficiente causa desgaste prematuro da broca, sendo necessário aumentá-lo adequadamente. Ao encontrar formações fraturadas, o ricochete da broca é comum e o WOB deve ser reduzido para evitar quebra ou lascamento dos dentes. O WOB é, portanto, um parâmetro crítico que deve equilibrar a penetração suficiente dos dentes com a minimização do desgaste dos mesmos.
2.2 Efeito da velocidade de rotação (RPM) A velocidade de rotação mede a rapidez com que uma broca de determinado diâmetro gira. Como o comportamento de quebra de rochas e a influência do WOB variam com a dureza da rocha, o efeito da RPM na quebra de rochas e na penetração mecânica deve levar em consideração a litologia e os fatores de tempo de quebra da rocha.
RPM em formações macias: Em formações macias, altamente plásticas e com baixa abrasão (por exemplo, camadas argilosas), a espessura do cavaco é igual à profundidade de penetração do dente e o desgaste do dente é mínimo. Mantendo-se o WOB constante, o RPM e a taxa de penetração mecânica aumentam aproximadamente de forma proporcional.
RPM em formações de dureza média e alta: Nessas formações, a dureza por indentação e a abrasividade são maiores; os dentes desgastam-se mais rapidamente, a área de contato aumenta e os tempos de propagação de trincas e deformação se prolongam. A penetração é mais lenta e exige maior WOB (peso sobre a broca). O aumento do RPM em formações duras pode prolongar o tempo de quebra da rocha por revolução, portanto, um RPM excessivo pode impedir a fratura completa antes do desengate dos dentes, reduzindo a penetração efetiva e acelerando o desgaste. Consequentemente, o RPM não deve ser aumentado excessivamente em formações de dureza média ou alta.
Diferenças de RPM entre os tipos de rocha: Cada tipo de rocha possui uma curva de resposta característica e uma RPM limite. Em argilas, a taxa de penetração aumenta proporcionalmente à RPM; em rochas duras e altamente abrasivas, a penetração aumenta mais lentamente com a RPM devido ao maior tempo de quebra da rocha e a uma RPM limite mais baixa — ultrapassar esse limite pode, na verdade, reduzir a penetração.
Os resultados dos testes com a duplicação da rotação por minuto (RPM) em brocas tricônicas mostram que, para uma rocha de grau 4 (por exemplo, mármore), a taxa de penetração aumentou em cerca de 93%, enquanto para um granito porfirítico de grau 9 o aumento foi de apenas cerca de 28%. Do grau 4 ao grau 9, o aumento da penetração com a RPM diminui ao longo de uma curva. Assim, o aumento da RPM beneficia formações macias e de baixa abrasão, mas oferece vantagem limitada em formações duras e altamente abrasivas.
