DESENVOLVIMENTO E VALIDAO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE CONTROLE DE POO EM SITUAES ESPECIAIS

Marcello Marques

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA OCENICA.

Aprovada por:

Dr. Heitor Rodrigues de Paula Lima, Ph.D.

Prof. tila Pantaleo Silva Freire. , Ph.D.

Dr. Antnio Carlos Vieira Martins Lage, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARO DE 2004

MARQUES, MARCELLO Desenvolvimento e validao

experimental de procedimentos de controle de poo em situaes especiais [Rio de Janeiro] 2004

XII, 83 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc., Engenharia Ocenica, 2004)

Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Controle de poo 2. Perfurao

I. COPPE/UFRJ 11. Ttulo (srie)

Resumo da Tese apresentada a COPPEAJFRJ como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

DESENVOLVIMENTO E VALIDAAO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE CONTROLE DE POO EM SITUAES ESPECIAIS

Marcello Marques

Orientadores: Theodoro Antoun Netto Heitor Rodrigues Lima.

Programa: Engenharia Ocenica

As tcnicas convencionais de controle de poo j esto bem assimiladas pela indstria de petrleo, tendo sido testadas e validadas em vrios casos reais registrados na literatura. Entretanto, no existe consenso sobre alguns procedimentos para situaes especiais durante a perfurao: cenrios de guas ultraprofundas, coluna de perfurao acima do fundo ou totalmente fora do poo, furo na coluna, etc. A literatura especializada registra poucos exemplos de campo, muitas vezes apenas simulaes computacionais de certas tcnicas especiais.

Atualmente, alguns mtodos no-convencionais de controle de poo, especialmente os mtodos volumtricos (esttico e dinmico), muitas vezes no so aplicados em situaes potencialmente favorveis por no haver um conhecimento adequado sobre estes, tanto na literatura como na experincia operacional.

Em funo de cenrios atuais de perfurao na Bacia de Campos, principalmente em grandes lminas d'gua, onde as pequenas margens de tolerncia ao kick restringem a utilizao de mtodos convencionais, verifica-se a necessidade de se avaliar quantitativamente o comportamento das presses ao longo do poo durante a aplicao destes mtodos no-convencionais.

Este trabalho contempla o desenvolvimento e realizao de um programa de testes experimentais visando analisar o desempenho dos Mtodos Volumtricos Esttico e Dinmico, bem como o Mtodo do Sondador e variaes, para os cenrios de poos em terra e poos em guas profundas. Os testes foram realizados usando como o fluido de perfurao lama base gua de alta viscosidade.

Abstract of Thesis presented to COPPEAJFRJ as a partia1 fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.)

DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF WELL CONTROL PROCEDURES IN SPECIAL SITUATIONS

Marcello Marques March/2004

Advisors: Theodoro Antoun Netto Heitor Rodrigues Lima.

Department: Ocean Engineering

Well control conventional techniques were well assimilated by petroleum industry, have being tested and validated in many literature registered real cases. Anyway, there is not a consensus about some procedures in special situations during drilling: ultra- deepwater situation, drill pipe above the bottom hole or completely out of hole, hole in the drill string, etc. A few field exarnples are registered in specialized literature, in most of cases only a computational simulation of specific techniques.

Actually, some non-conventional well control methods, specially the volumetric methods (static and dynamic), are not used in potential favorable situation because there is not a better knowledge about these procedures in field experience and in the literature.

Because of the actual Campos Basin drilling scenario (specially in ultra deepwater, where the small kick tolerance rnargin limits the well control conventional methods) is necessary the pressure behavior evaluation during the application of well control non- conventional procedures.

This work explains the development and implementation of an experimental test program wishing to analyze the Volumetric Methods progress well as the Driller's Method (and its variations). Two scenarios are described: onshore wells and offshore deepwater wells. The tests were realized using high viscosity water base mud.

A meu Pai, por me mostrar que honestidade e inteligncia sempre devem prevalecer na vida de qualquer pessoa.

A minha Me, por me ensinar a diferena entre o certo e o errado que sempre guiou minha vida.

A minha esposa, pelo carinho, pacincia e apoio to importantes nos momentos que mais precisei.

Agradecimentos

A Deus, por iluminar meu caminho e permitir tantas realizaes em minha vida.

A minha famlia, sem a qual nada conseguiria.

A ANP, pelo apoio financeiro para a realizao deste trabalho.

Aos meus orientadores, por me mostrarem o caminho das pedras.

Aos amigos do mestrado: Joo Carlos, Rafael, Silvia, Janaina, Adriana, Maurcio, Lus, Sidnei, Mario, Silvestre.

Ao Eng. Paulo Hora Andrade Jr., pela oportunidade de realizar este trabalho no Poo- Laboratrio.

A toda a Equipe do Poo Laboratrio da Petrobrs em Taquipe: Valter, Walcir, Jairo, Romualdo, Alberto, Femando.

Indice

2 OPERAO DE PERFURAO 4 2.1 Influxos (Kicks) 6 2.2 Situaes especiais em perfurao 13 2.3 Equipamentos de controle de poo 17

3 CONTROLE DE POO 23 3.1 Comportamento do gs no poo 2 5 3.2 Fundamentos tericos de controle de poo 27 3.3 Mtodo do sondador 3 2 3.4 Mtodos volumtricos 3 3 3.5 Mtodos propostos 37

4 o POO-LABORAT~RIO 4 1 4.1 Sistema de aquisio de dados 4 1

4.2 Layout do poo 44 4.3 Layout de superfcie 46

5 TESTES EXPERIMENTAIS 48

5.1 Procedimentos de realizao de experimentos 49 5.2 Cenrio 1: poo sem coluna 5 5 5.3 Cenrio 2: broca a 490 m 57 5.4 Cenrio 3: broca no fundo (configurao submarina) 5 7 5.5 Movimento do gs no poo 58

6 RESULTADOS 60

6.1 Poo sem coluna 62 6.2 Broca a 490 m 6 8 6.3 Broca no fundo do poo 74

7 ANLISE DOS RESULTADOS 83 7.1 Poo sem coluna 83

vii

7.2 Broca a 490m 84 7.3 Broca no fundo do poo 85

8 CONCLUSOES 89

9 BIBLIOGRAFIA 91

APNDICE 93 A. 1. Definies bsicas 93

Indice de fiauras Figura 2-1 - Sonda de perfurao 4 Figura 2-2 - Perfurao do poo 5 Figura 2-3 - Revestimentos cimentados 6 Figura 2-4 - Kick 7 Figura 2-5 - Variao de volume do gs com a profundidade 7 Figura 2-6 - Contaminao da lama por gs 1 O Figura 2-7 - Perda de circulao 13 Figura 2-8 - Broca acima do fundo 14 Figura 2-9 - Broca entupida 16 Figura 2- 10 - Coluna furada 16 Figura 2-1 1 - Sistema Diverter 17 Figura 2-12 - Conjunto BOP para poo terrestre 18 Figura 2-13 - BOP anular 18 Figura 2-14 - BOP de gavetas 19 Figura 2-15 - Gavetas cega e cisalhante 20 Figura 2-16 - Carretel de perfurao 20 Figura 2-17 - Choke manfold 2 1 Figura 2-1 8 - Vlvula de choke (corte transversal) 22 Figura 3-1 - Migrao de gs com o poo fechado 26 Figura 3-2 - Migrao de gs com o poo aberto 27 Figura 3-3 - Riser e linhas de kill e choke 28 Figura 3-4 - Janela operacional entre presso de poros e de presso de fratura 2 8 Figura 3-5 - Circuito hidrulico durante perfurao 29 Figura 3-6 - Circuito hidrulico durante controle de kick 3 O Figura 3-7 - Determinao de SICP e SIDPP 3 1 Figura 3-8 - Mtodo do Sondador: Primeira circulao 32 Figura 3-9 - Mtodo do Sondador: Segunda circulao 3 3 Figura 3-10 - Mtodo Volumtrico Esttico: Migrao do gs 34 Figura 3-1 1 - Mtodo Volumtrico Esttico: presses na Ia etapa 3 5 Figura 3- 12 - Mtodo Volurntrico Esttico: Top kill 3 6 Figura 3-13 - Mtodo Volumtrico Esttico: presses na 2"etapa 3 7

Figura 3- 14 - Mtodo volurntrico dinmico 3 8 Figura 3-15 - Mtodo volumtrico dinmico, circulando atravs da broca 3 9 Figura 3-16 - Injeo pela linha de kill e pela coluna simultaneamente 40 Figura 4-1 - Vista area da sonda SC-72 do Poo-Laboratrio de Taquipe - BA 4 1 Figura 4-2 - Tela do sistema de controle e aquisio de dados. 43 Figura 4-3 - Layout do Poo 44 Figura 4-4 - Layout geral do sistema de superfcie 47 Figura 5-1 - Comportamento de fluido newtoniano 52 Figura 5-2 - Comportamento de fluido binghamiano 5 3 Figura 5-3 - Comportamento de fluido de potncia 54 Figura 5-4 - Comportamento de fluido de potncia modificado 5 5 Figura 5-5 - Cenrio 1: poo sem coluna 5 7 Figura 5-6 - Cenrio 2: broca acima do fundo do poo 5 7 Figura 5-7 - Cenrio 3: configurao submarina com broca no fundo 5 8 Figura 5-8 - Posio dos sensores e pontos de interpelao 59 Figura 6- 1 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 63 Figura 6-2 - Acompanhamento da subida do gs no poo 64 Figura 6-3 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 66 Figura 6-4 - Acompanhamento da subida do gs no poo 67 Figura 6-5 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 69 Figura 6-6 - Acompanhamento da subida do gs no poo 70 Figura 6-7 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 72 Figura 6-8 - Acompanhamento da subida do gs no poo 73 Figura 6-9 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 75 Figura 6-10 - Acompanhamento da subida do gs no poo 76 Figura 6-1 1 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 78 Figura 6-12 - Acompanhamento da subida do gs no poo 79 Figura 6-13 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 8 1 Figura 6-14 - Acompanhamento da subida do gs no poo 82

r

Indice de tabelas Tabela 1 - Relao de smbolos utilizados xii Tabela 2 - Fatores de converso para unidades SI xii Tabela 1-1 - Situaes especiais durante a perfurao 2 Tabela 4-1 - Composio da coluna de perfurao 45 Tabela 4-2 - Disposio dos sensores de fundo 46 Tabela 4-3 - Circuito hidrulico de superfcie 46 Tabela 5-1 - Cenrios a serem testados 4 8 Tabela 5-2 - Propriedades do fluido de perfurao 5 1 Tabela 5-3 - Modelos e parmetros reolgicos do fluido utilizado 56 Tabela 6-1 - Padres de cores dos grficos 6 1

Smbolos e unidades Tabela 1 - Relao de smbolos utilizados

I Smbolo I Significado I I Bottom-Hole Pressure I Presso no fundo do poo

I BOP I Blowout Preventer I Preventor de blowout 1

I PRC

ECD MD PIC

/ Presso reduzida de circulao

Equivalent Circulating Density Measured Depth

Densidade equivalente de circulao Profundidade medida Presso inicial de circulao

SICP SIDPP

Tabela 2 - Fatores de converso para unidades SI

ROP TVD

Shut-in Casing Pressure Shut-in Drill P p e Pressure

/ Comprimento I ft 1 0.3048

Presso de fechamento no revestimento Presso de fechamento na coluna de perfurao

Rate of Penetration True Vertical Depth

Grandeza

Fora

Taxa de penetrao Profundidade real

/ Temperatura I "F I ("F-32)ll.g I

Unidade

lbf

Presso

/ Tempo I min I 60 I Viscosidade dinmica I cP I 0.001

Fator

4.448 222

psi

Unidade SI correspondente

N

gpm - Galo americano (gal) por minuto (min). scfm - P cbico (ft3) por minuto (min) padro - a temperatura de 60F e

6.894 757

Volume

presso de 14.696 psia (20C e 1 atm).

Pa

gal 1 3.785 412 x 10" 1 m3

ppg - Libra-massa (lbm) por galo (gal). psia l psig- As letras a e g distinguem entre presso absoluta e presso

manomtrica (gage), respectivamente; psia obtido a partir de psig ao se adicionar o valor da presso atmosfrica.

xii

1 Introduo Um blowout pode ser definido como a produo descontrolada de fluidos da

formao para a superfcie (surface blowout) ou subsuperficie (underground blowout), com presso suficiente para causar danos aos equipamentos e a prpria plataforma e colocar em risco os operrios e tcnicos da sonda. Um blowout no acontece repentinamente, mas se desenvolve gradualmente a medida que a presso hdrosttica da coluna de fluido de perfurao cai abaixo do nvel necessrio para equilibrar a presso dos fluidos do reservatrio. Quando estes fluidos entram no poo, este dito estar em kick. Se o kick no detectado e interrompido em tempo hbil, ocorrer um escoamento incontrolado de hidrocarbonetos, determinado na literatura tcnica como blowout.

Todo poo pode entrar em kick desde que:

1) A densidade do fluido de perfwao seja menor que a necessria para gerar uma presso hdrosttica suficiente para equilibrar a presso da formao e

2) A relao k/p (permeabilidade da rocha / viscosidade do fluido da formao) permita o escoamento em meio poroso.

Se uma formao com presso anormalmente alta encontrada durante a perfurao e a equipe de sonda no tiver conhecimento prvio desta rea, fatalmente ocorrer tambm um kick. Devido a esta possibilidade, todo poo equipado com um equipamento especial, chamado BOP (blowoutpreventer), que consiste em um conjunto de vlvulas que podem ser operadas hidraulicamente ou manualmente, projetadas para conter possveis kicks. Uma vez que o poo fechado, a equipe de perfurao pode preparar um plano para controlar o poo, circulando os fluidos invasores e substituindo a lama original por outra mais densa.

De acordo com a situao em que se encontra a operao, um mtodo de controle de poo mais indicado que outro, em outros casos, apenas um se aplica. Em funo de cenrios atuais de perfurao nas Bacias de Campos e Esprito Santo, principalmente em grandes profundidades d'gua, onde as pequenas margens de tolerncia ao kick restringem a utilizao de mtodos convencionais, verifica-se a necessidade de se estudar os mtodos chamados de no-convencionais e avaliar, qualitativa e quantitativamente, o comportamento das presses ao longo do poo durante a aplicao destes mtodos.

A Tabela 1-1 apresenta algumas destas situaes, os mtodos usados atualmente (chamados de convencionais) e os mtodos propostos.

Tabela 1-1 - Situaes especiais durante a perfurao

Situao Mtodo convencional

Poo sem coluna

I Poo I mtodo do sondador

Mtodos volumtricos (esttico e dinmico)

Broca posicionada a acima do fundo do

Mtodo volurntrico esttico at a broca +

Mtodo proposto

Broca posicionada no fundo do poo (alta profundidade d'gua)

*Mtodos volumtricos (esttico e dinmico)

Mtodo do sondador

Mtodo volumtrico dinmico, circulando pela broca

Mtodo do sondador modificado

Mtodo volumtrico dinmico

* Neste caso no existem mtodos propostos, apenas um estudo mais detalhado dos mtodos convencionais.

Na situao do poo sem coluna, deseja-se entender melhor o comportamento do gs ao longo de sua retirada do poo, tanto no mtodo volumtrico esttico quanto no dinmico.

Com a broca acima do fundo do poo, pretende-se mostrar que o mtodo volumtrico dinmico circulando pela broca mais fcil de ser implementado, em comparao ao mtodo volumtrico esttico at a broca + mtodo do sondador. O mtodo proposto mais simples de executar, pois apenas uma operao executada do incio ao fim (e no dois mtodos em seqncia) e no h a necessidade de monitorar a subida do gs no poo.

Quando se est perfurando um poo em grande profundidade d'gua com a broca no fundo do poo (a situao especial se deve apenas a grande profundidade), usando-se mtodo do sondador corre-se o risco de descontrole do poo no momento que o gs entra na linha de choke por causa da brusca queda de hidrosttica que ocorre ao se substituir a coluna de lama nesta linha por praticamente 100% de gs (podendo induzir novo kick). Logo depois disso, com a sada do gs, esta coluna de lama retoma e rapidamente a hidrosttica d um salto (podendo causar a fratura da formao). Os dois mtodos propostos tentam evitar este fenmeno ao garantir que durante todo o processo a linha de choke estar preenchida por lama.

A partir de testes experimentais, em escala real, executados no Poo-Laboratrio da Petrobrs onde foram simulados os cenrios acima citados, pode-se fazer uma

comparao quantitativa destes mtodos de controle de poo bem como da aplicabilidade ou no dos mtodos propostos.

A perfurao de um poo de petrleo realizada atravs de uma sonda conforme mostrado na Figura 2-1.

Na sonda de perfurao esto instalados todos os sistemas necessrios a operao de perfurao: gerao de energia, transporte e movimentao de cargas, circulao de fluido de perfurao, etc.

"-Bloco de coroamento Cabo de pmfuraiio

----- Torre

-- Bomba de lama

Coluna de pmfuraiio

Figura 2-1 - Sonda de perfurao

Na operao de perfurao usado o sistema rotativo, onde as rochas so perfuradas pela combinao da ao de rotao e peso aplicados a uma broca instalada na extremidade de uma coluna de perfurao, como mostrado na Figura 2-2. Esta coluna formada por tubos com parede de grande espessura (comandos) e tubos com parede de pequena espessura (tubos de perfurao).

Bomba Tanque de kma f i dekma

Figura 2-2 -Perfurao do poo

Durante a perfurao tambm preciso remover de forma continua os fragmentos da rocha cortada pela broca. Para esta tarefa utiliza-se o artifcio de circular um fluido de perfurao, ou lama, com o objetivo de transportar os cascalhos at a superficie, onde peneirado para posterior retomo ao tanque (Figura 2-2).

O fluido injetado por uma bomba de deslocamento positivo atravs da coluna de perfurao e retoma a superfcie atravs do espao anular entre a coluna de perfurao e as paredes do poo, passando pelo interior do riser de perfurao e chegando ao tanque de lama - onde pode ser bombeado novamente. Outra funo da lama 6 garantir pela presso hidrosttica por ela exercida que nenhum fluido do reservatrio escoe para o interior do poo.

Aps a broca atingir uma determinada profundidade, retira-se a coluna de perfurao do poo e uma coluna de revestimento de ao com dimetro inferior ao da broca introduzida no poo. A regio entre o revestimento e as paredes do poo preenchida com cimento de modo a isolar as rochas cortadas e permitir o avano da perfurao com maior segurana, como pode ser visto na Figura 2-3. Esta operao denominada cimentao.

Tubo condutor

Revestimento de superficie

Revestimento intermedirio

Revestimento de produo

Figura 2-3 -Revestimentos cimentados

Aps a cimentao, a coluna de perfurao descida novamente no poo. Desta vez, a extremidade da coluna possui uma nova broca de dimetro inferior ao revestimento recm-instalado. Reinicia-se, desta maneira, a operao de perfurao at que se atinja o prximo ponto determinado para instalao de novo revestimento.

A operao de perfurao composta, portanto, de vrias etapas caracterizadas pelos diferentes dimetros das brocas usadas.

2.1 Influxos (Kicks) Influxo definido como o escoamento indesejvel de certa quantidade de fluido do

interior da formao para o interior do poo, como visto na Figura 2-4. Este fluido pode ser leo, hgua, gs ou sua mistura. O influxo de leo ou gua, apesar de indesejado, de fcil controle e no apresenta maiores riscos.

O maior perigo ocorre com o influxo de gs, uma vez que, ao contrrio do leo e da gua, um fluido compressvel. Por possuir densidade bem inferior ao do fluido de perfurao, o gs tende a migrar at a superfcie por efeito gravitacional. Conforme sobe, tende a aumentar de volume, uma vez que a presso hidrosttica diminui com a aproximao da superfcie. Esta expanso volumtrica no-linear mais pronunciada quanto mais prximo da superficie, conforme pode ser visualizado na Figura 2-5 [I].

Figura 2-4 - Kick

Esta particularidade de comportamento toma muito mais perigoso o influxo de gs, uma vez que sua expanso ao longo de seu deslocamento ocasiona expulso de cada vez mais liquido do poo, ou seja, a presso hidrosttica no fundo do poo tende a cair cada vez mais rpido. Esta queda de presso aumenta o desequilibrio entre a presso da formao e a presso do poo, acarretando em maior vazo de influxo. Desta maneira o influxo tem a tendncia de se tomar um blowout, ou seja, um escoamento contnuo e descontrolado de fluido da formao para o interior do poo [ l ]

Volume de gAs

.r Figura 2-5 -Variao de volume do gs com a profundidade

2.1.1 Causas de kicks

Em geral, existem trs causas bsicas de influxos: A presso no fundo do poo menor que a presso de poros da formao, causado pela diminuio do nvel hidrosttico no interior do poo;

A presso no fundo do poo menor que a presso de poros da formao, causado pela diminuio da densidade da lama no interior do poo; A presso de poros da formao anormal, ou seja, maior que a prevista.

Existem vrias situaes que podem levar a uma destas causas de influxo:

2.1.1.1 Falta de "ataque" ao poo durante manobras Esta uma das mais frequentes causas de kicks. A operao de manobra em que a

coluna retirada do poo deve ser feita de tal maneira que, ao mesmo tempo em que o tubo de perfurao iado, compensa-se com lama o volume correspondente de ao removido do poo. Caso esta medida no seja devidamente adotada, ocorrer queda da presso no fundo do poo causada pela diminuio do nvel de lquido dentro do poo, podendo levar, assim, a um influxo.

Durante a manobra, o volume de lama a ser injetado no poo monitorado pelo tanque de manobra. Por ter uma seo transversal menor que os tanques de lama, esse tanque permite um acompanhamento mais preciso do seu volume, uma vez que uma pequena variao de volume implica em pronunciada variao de nvel de lquido.

2.1.1.2 Presso de poros da formao acima do normal Se o poo a ser perfurado pertence a um campo ainda desconhecido, onde suas

caractersticas principais ainda esto para serem definidas, possvel se deparar com uma situao onde a presso de poros do reservatrio a ser estudado seja maior que o normal. Numa situao desta, a presso hidrosttica da lama de perfurao pode no ser suficiente para evitar um influxo.

2.1.1.3 Pistoneio a reduo da presso no poo causada pela retirada da coluna de perfurao. Este

fenmeno pode ocorrer de duas maneiras: Pistoneio mecnico: a causa da reduo da presso a remoo mecnica do fluido

de perfurao para fora do poo devido ao acmulo de material (enceramento) na broca ou nos estabilizadores. Este tipo de pistoneio manifesta-se pelo retorno de lquido na superfcie e possvel aumento na trao durante a retirada da coluna.

Pistoneio hidrulico: a causa da reduo da presso a induo de perdas de carga por frico atravs do movimento descendente do fluido de perfurao que ocupar o espao deixado abaixo da broca devido a retirada da coluna de perfurao.

O pistoneio hidrulico depende das propriedades reolgicas da lama, da geometria do poo e da velocidade de retirada da coluna. A Equao 2-1 mostra a variao de presso devido a perda de carga por frico para um espao anular (fluxo laminar) segundo o modelo Binghamiano [I]:

onde: AP a reduo de presso abaixo da broca, em psi; LCoi o comprimento da coluna de perfurao, em m; TI o limite de escoamento da lama, em lbfl100 ft2; d, o dimetro do poo ou interno do revestimento, em polegadas; di o dimetro externo do tubo de perfurao, em polegadas; pP a viscosidade plstica da lama, em cp; Vret a velocidade de retirada da coluna, em mmin.

Para evitar este problema, adota-se a Margem de Segurana de Manobra (MSM) na massa especfica da lama utilizada. Esta margem simplesmente um acrscimo no valor da densidade da lama, e pode ser avaliada no incio da manobra, que o instante mais desfavorvel, definida pela Equao 2-2 [I]:

MSM = 2 AP 0,17 D

onde: MSM a margem de segurana de manobra, em lbdgal; AP a reduo de presso abaixo da broca, em psi; D a profundidade do poo, em m.

Uma outra medida preventiva a reduo da viscosidade da lama a valores mnimos possveis antes da manobra ser realizada elou controlar a velocidade de retirada da coluna de perfurao.

2.1.1.4 Contaminao da lama por gs A contaminao da lama por gs pode causar uma reduo de sua densidade e, como

conseqncia, a diminuio da presso hidrosttica no fundo do poo. Diz-se que a lama est "cortada" por gs (Figura 2-6).

Figura 2-6 - Contaminao da lama por gs

A reduo de presso hidrosttica pode ser estimada pela Equao 2-3 [I]:

onde:

AP a reduo de presso no ponto considerado, em psi; p, a massa especifica da lama, em lbdgal;

p,, a massa especifica da lama cortada por gs, em lbtngal; P h a presso hidrosttica no ponto considerado, em psia.

2.1.2 Deteco de kicks A eficincia dos procedimentos de controle de kick est na rapidez da descoberta do

influxo e na certeza de que o que est ocorrendo um kick realmente. A rapidez na deteco est associada ao volume de influxo que se permite entrar no

poo. Quanto mais rpido se percebe que est ocorrendo o kick, menor o volume de fluido invasor, mais rpido e mais seguro ser a sua remoo.

A certeza pela equipe de sonda de que se est sob um kick evita atraso com a parada desnecessria da perfurao para ataques a kicks inexistentes, alm de permitir a pronta resposta para aplicar os procedimentos de controle do poo. Desta maneira, pode-se diminuir o volume do influxo e reiniciar a perfurao em menor tempo.

2.1.2.1 Aumento de volume nos tanques de lama O aumento no volume dos tanques um dos indcios mais positivos de kick. Deste

modo, o medidor de volume nos tanques deve sempre estar em perfeitas condies de funcionamento para garantir a deteco de um kick o mais rpido possvel.

No caso de formaes de baixa permeabilidade atravs do aumento no volume dos tanques que provavelmente o kick ser descoberto. Com a entrada do influxo no poo, mais lama ser expulsa de maneira lenta, com baixa vazo, de modo que depois de determinado tempo poder ser notado um certo acrscimo no nvel de lama dos tanques.

Para evitar falsos alarmes, o qumico ou responsvel deve avisar antecipadamente sobre manobras de vlvulas que causem mudanas no nvel dos tanques. Em caso de unidades flutuantes, os responsveis pelos guindastes tambm devero avisar quando do movimento de cargas, pois a inclinao da embarcao afeta os medidores de nvel.

Para melhor preciso na monitorao do volume dos tanques de lama, recomenda-se a utilizao de mais de um sensor por tanque.

2.1.2.2 Aumento na vazo de retorno de lama

O aumento na vazo de retorno o primeiro indicador de kick em formaes de mdia e alta permeabilidade, assim o medidor no retomo doflow line deve sempre estar funcionando corretamente.

Com a entrada do influxo no poo, mais lama ser expulsa de maneira a aumentar a vazo de retomo. Se a formao for de alta ou mdia permeabilidade uma vazo razovel ser apresentada pelo fluido do reservatrio e um acrscimo significativo na vazo de retorno poder ser detectado.

Deve-se sempre verificar se oflow line est livre de detritos que possam obstruir o perfeito funcionamento do medidor de vazo de retorno.

2.1.2.3 Fluxo com bombas de lama desligadas O escoamento de lama com as bombas desligadas um indcio positivo de kick, e

como tal o poo deve ser fechado imediatamente. Umflow check negativo no , no entanto, garantia de no existncia de influxo no

poo, pois no caso de influxo durante manobras pode ocorrer kick e oflow check indicar negativo. J durante a perfurao, umflow check negativo d a certeza de no existir influxo.

Nas sondas flutuantes no se recomenda oflow check para se confirmar um indcio de kick, mas sim proceder ao fechamento do poo e monitorar as presses e, caso haja crescimento de presso, tem-se a confirmao de um kick (pressure check) [ 2 ] . Durante o tempo que efetuada a operao deflow check, o volume do influxo est aumentando (caso exista o kick) o que toma o controle mais crtico.

Porm, deve-se fazer flow checks preventivos sempre antes de se iniciar um procedimento menos seguro quanto ao kick, como, por exemplo, a passagem de instrumentos conectados a coluna pelo BOP, incio de manobras, etc.

2.1.2.4 Diferena dos volumes de ao e de fluido durante manobras Durante a manobra o tanque de manobra ( t rp tank) deve estar sempre operacional,

tanto para manter o poo cheio como tambm monitorar os volumes trocados com o poo. Assim, na descida da coluna o trip tank deve indicar um aumento correspondente ao volume de ao colocado no poo e durante a retirada, o t r p tank deve indicar uma queda correspondente ao volume do ao retirado do poo.

Na situao em que o volume de lama retomado maior que o volume de ao descido ou que o volume de lama injetado menor que o volume de ao retirado, pode estar ocorrendo um kick.

2.1.2.5 Aumento da taxa de penetrao Quando todos os fatores que afetam a taxa de penetrao so mantidos constantes e

um aumento consistente neste parmetro observado, provvel que uma zona de transio (trecho onde ocorre mudana de tipo de formao rochosa) esteja sendo perfurada. Assim, o aumento da taxa de penetrao causado pela reduo do diferencial de presso sobre a formao pode ser usado como um indicador de presso anormalmente alta (PAA). Alm disso, a normalizao da taxa de penetrao em relao a rotao da broca, peso sobre a broca, dimetro da broca e densidade da lama utilizada na indstria do petrleo para se estimar a magnitude da presso de poros da formao. O expoente d, um dos mtodos de normalizao da taxa de penetrao mais empregados no campo para deteco e estimativa de presses anormalmente altas. Ele definido pela Equao 2-4 [llcomo:

onde: N a velocidade de rotao, em rpm; R a taxa de penetrao, em Wh; W o peso sobre a broca, em lbmf; D o dimetro da broca, em polegadas;

pn o peso especfico da lama anterior, em Ibmigal; pm o peso especifico da lama atual, em Ibmlgal.

0 s valores de d, calculados em zonas de folhelhos normalmente pressurizados so lanados num grfico cartesiano em funo da profundidade para definir uma linha reta chamada de tendncia de presso normal onde os valores do expoente d, calculados aumentam linearmente com a profundidade. Quando uma zona de transio encontrada, os valores calculados para d, comeam a diminuir indicando o incio de uma zona de presso anormalmente alta.

2.2 Situaes especiais em perfurao So definidas como situaes especiais durante a perfurao os eventos incomuns

que comprometam a segurana da operao ou causem sua interrupo. Tais situaes geralmente so potenciais causas de influxos ou, caso ocorram durante o controle de um influxo, dificultam o seu combate. A seguir algumas destas situaes so explicadas.

2.2.1 Perda de circulao Durante a operao normal de perfurao, quando da passagem da broca por uma

formao rochosa mais frgil, pode ocorrer o rompimento da formao pelo fluido de perfurao, conforme ilustrado na Figura 2-7.

Figura 2-7 -Perda de circulao

Desta maneira, o fluido bombeado para dentro do poo no retoma a superficie, invade esta formao mais fraca. Para que isto ocorra, necessrio que a presso do fluido de perfurao seja superior a presso de fratura desta formao. Uma conseqncia deste fenmeno a reduo da presso no fundo do poo exercida pelo fluido, o que pode causar um influxo.

Outro problema a ocorrncia de perda de circulao durante o controle de um influxo. Neste caso, pode ocorrer novo influxo e, se as providncias adequadas no forem tomadas a tempo, este influxo tem o potencial de se tomar um blowout.

Perda de circulao geralmente notada pela equipe da sonda ao se comparar as vazes de bombeio e retomo de lama. Percebendo-se que h uma vazo de retomo menor que a vazo bombeada, pode-se estar em situao de perda de circulao. Caso seja detectada esta situao, a lama usada modificada com a mistura de aditivos adequados.

Uma maneira de prevenir tal problema a utilizao de tipo de fluido de perfurao mais adequado (que contenha tais aditivos) de acordo com a regio onde o poo ser perfurado, onde se saiba que estas formaes mais frgeis possam existir.

2.2.2 Broca acima do fundo

Durante uma operao de manobra em que a coluna deve ser retirada ou colocada no poo - seja para troca da broca, para inicio da operao de cimentao, ou por qualquer outro motivo que exija esta manobra - haver momentos em que a broca dever permanecer acima do fundo do poo, ver Figura 2-8.

Figura 2-8 - Broca acima do fundo

A ocorrncia de um kick neste momento um problema mais delicado do que durante a perfurao, uma vez que no h como injetar fluido diretamente no fundo do poo. Isto pode acarretar um tempo maior necessrio para a eliminao do kick, visto que a injeo de liquido, nesse caso, no se d por baixo do influxo - como no mtodo do sondador - o que aceleraria sua velocidade de migrao durante a sua retirada.

2.2.3 Lmina d'bgua grande

Conforme o avano na perfurao de poos em guas cada vez mais profundas, os problemas que antes eram mnimos ou inexistentes em pequena profundidade passam

agora a ocorrer de maneira mais evidente. A principal delas a perda de carga nas linhas de kill e choke.

Como necessrio agora um riser de maior comprimento para atingir o leito marinho, as linhas de kill e choke tambm se tomam demasiadamente longas e, desta forma, a perda de carga por frico muito alta durante a circulao do influxo - quando so utilizadas. Nesta operao, a presso no interior do poo mantida atravs desta perda de carga, tomando crtica a operao de controle de poo em lmina d'gua elevada. Esta presso pode ser controlada com a abertura (ou fechamento) da vlvula de choke, porm, antes do final da circulao do kick no mtodo do sondador a abertura total do choke atingida antes da concluso da expulso do gs. Deste modo, a presso no poo poder subir a valores que causem fratura da formao mais fraca. Neste caso urna soluo operacional possvel a reduo da vazo de bombeio de lama durante a circulao do kick com o intuito de diminuir a perda de carga.

2.2.4 Broca entupida

Quando so adicionados materiais para evitar perda de circulao na lama, pode ocorrer o entupimento parcial ou total dos orificios da broca (Figura 2-9).

A queda de presso do fundo do poo devido a interrupo de circulao de lama causaria a ocorrncia de um kick (ou um novo kick, caso j se esteja combatendo um influxo no instante do entupimento). Assim como no caso de broca acima do fundo, este problema tambm delicado, uma vez que no h como injetar fluido diretamente no fundo do poo. Isto implica em alguns fatores complicadores:

1. mais dificil controlar a presso no fundo, pois s possvel bombear lama pela linha de kill, no topo do poo;

2. Um instrumento de medio a menos para utilizao durante o procedimento de controle do kick - o manmetro do tubo bengala. Com o interior da coluna de perfurao isolado do poo, o manmetro do tubo bengala toma-se intil;

3. necessrio um tempo total maior para retirada do kick, visto que a injeo de liquido no poder mais ser feita por baixo do influxo.

Figura 2-9 -Broca entupida

2.2.5 Coluna furada

Da mesma forma que no entupimento da broca, um furo na coluna de perfurao tambm pode provocar a queda de presso no fundo do poo devido a reduo da vazo de circulao de lama, como pode ser observado na Figura 2-10.

Figura 2-10 - Coluna furada

Durante a operao de combate a um influxo, a sobrepresso no poo -que funciona como margem de segurana para impedir novo kick - causada pela perda de carga por frico do escoamento da lama no espao anular. Como o valor de perda de carga proporcional a vazo de escoamento, se esta vazo cair, o valor da margem de segurana cair tambm.

2.3 Equipamentos de controle de poo

2.3.1 Sistema diverter

O sistema diverter um preventor anular projetado para divergir o escoamento oriundo do poo para linhas de grande dimetro (superiores a 6 polegadas) que o conduzem para fora da sonda. Este sistema normalmente no tem como funo o fechamento do poo e sim o desvio do escoamento, evitando que o fluido produzido atinja o deck de perfurao colocando em risco os equipamentos e a equipe de trabalho. O conjunto formado pelo sistema diverter pode ser visto na Figura 2-11

bastante utilizado na fase inicial de perfurao offsshore de poos pioneiros. Linha de Fluxo il I "Bell Nipple" h

Painel de Controle MSF - 50C

Linha do Diverier 1 1

Figura 2-11 - Sistema Diverter

2.3.2 Conjunto BOP Na Figura 2-12 pode ser visto um arranjo tpico de um conjunto BOP para poo

terrestre.

Figura 2-12 - Conjunto BOP para poo terrestre

2.3.3 BOP anular O preventor anular (ou BOP anular) uma vlvula que permite o fechamento do

poo em qualquer situao, isto , com colunas de diferentes dimetros ou sem coluna, embora esta ltima operao no seja recomendvel como rotina. Permite tambm que a coluna sofra pequenos movimentos sem danificar o elemento vedante.

Sua representao esquemtica pode ser verificada na Figura 2-13.

Elemento Vedante

Anel de Adaptn@n

Figura 2-13 - BOP anular

2.3.4 BOP de gavetas O preventor de gavetas (ou BOP de gavetas) tem a funo de fechar o poo, com ou

sem coluna de perfurao. Seus principais componentes podem ser vistos na Figura 2-14.

Pode ser encontrado em conjuntos com uma, duas ou trs gavetas, podendo ter sadas laterais. As gavetas podem ser de trs tipos: vazadas, cegas ou cisalhantes.

Gaveta Vazada:

Gaveta Cega:

Gaveta Cisalhante:

Gaveta Vazada

Figura 2-14 - BOP de gavetas

- Permite o fechamento do anular do poo ao redor de uma coluna de dimetro especfico, para o qual foi projetada - mostrada no detalhe da Figura 2-14; - Projetada para fechar e selar o poo quando no h ferramenta dentro do mesmo - Figura 2-15; - Tipo especial de gaveta cega que, ao ser fechada com a coluna no poo, provoca o seu corte e fechamento do poo, Figura 2-15. Deve ser instalada sempre acima de uma gaveta vazada de forma que, numa operao de corte, a coluna possa ser apoiada, atravs do tool joint, na gaveta vazada e a ento cortada, evitando a queda no interior do

poo.

GAVETA CISALHAN

Figura 2-15 - Gavetas cega e cisalhante

2.3.5 Carretel de perfurao (drlling spool) O carretel de perfurao (Figura 2-16 e no conjunto BOP na Figura 2-12)

utilizado como proteo ao BOP, permitindo a instalao das linhas de kill e de choke e ainda propiciando espao para permitir que um par de to01 joints seja posicionado entre duas gavetas, durante uma operao de strpping. A operao de strpping consiste no deslocamento da coluna de perfurao para cima, com o BOP anular fechado, para posicionar o to01 joint acima da gaveta vazada. Caso seja necessria uma desconexo de emergncia, a coluna que permanecer dentro do poo no cair no fundo.

Figura 2-16 - Carretel de perfurao

2.3.6 Linhas de kill e choke

Linha de Kill - a linha utilizada para amortecer o poo, isto , deslocar o fluido de perfurao para dentro do poo durante um processo de controle do poo.

Linha do Choke - a linha que permite a conexo entre a cabea do poo, e o choke manfold (Figura 2-17), devendo possuir presso de trabalho compatvel com a presso de trabalho do conjunto BOP. Seu dimetro deve ser grande o suficiente (maior que 3

polegadas nominal) para reduzir perdas de carga, eroso e possibilidades de entupimentos.

Figura 2-17 - Choke manifold

Estrangulador ou Choke - um equipamento usado para restringir escoamento, normalmente uma vlvula. Esta restrio cria uma contrapresso que se transmite atravs do fluido circulante para a formao. mostrado na Figura 2-18.

Figura 2-18 - Vlvula de choke (corte transversal)

3 Controle de poo Como visto anteriormente, aps ser detectado um influxo, o poo deve ser fechado

imediatamente. Entretanto, esta ao somente no suficiente para readquirir o controle do poo. Alguma interveno da equipe de sonda necessria para evitar que o kick se torne um blowout - caso o poo permanea aberto - ou a formao seja fraturada e ocorra um underground blowout - caso o poo permanea fechado.

Visto que nenhuma das duas situaes desejada, foram desenvolvidos mtodos de combate a kick. Tais mtodos consistem em procedimentos operacionais que devem ser implementados de maneira a retirar o fluido invasor do poo de forma segura, enquanto se mantm a presso do fundo do poo em um valor constante e suficiente para evitar novo influxo.

Os princpios tericos dos mtodos existentes mais utilizados na indstria so descritos, analisados e estudados em vrios trabalhos. NAKAGAWA, ANDRADE e LAGE [2] analisam, a partir de testes experimentais no poo-laboratrio em Taquipe, os procedimentos mais adequados para controle de poo durante situao normal de perfurao. Concluram que mais vantajoso utilizar o fechamento brusco (hard) e o mtodo do sondador.

HOLDEN e BOURGOYNE [3] avaliam, atravs de testes experimentais de simulao de kick, a performance de diversos tipos de chokes, procedimentos de controle de poo e confirmam a validade do modelo reolgico de Bingham para clculo da perda de carga na linha de choke.

LIMA et a1 [4] verificam o comportamento da temperatura e presso dinmica em operaes de perfurao sem riser, alm de discutir a deteco de influxos nesta configurao. Um modelo numrico foi desenvolvido para simular o escoamento do fluido de perfurao.

POWER et a1 [ 5 ] discutem as similaridades e diferenas entre um influxo e o fenmeno da "respirao" do poo (breathing well), fenmenos facilmente confundidos. Critrios para diferenciao de cada caso so propostos.

LEACH [6] [7] descreve um histrico sobre controle de poo, onde mostra como eram os procedimentos de combate a kick antes, agora e como devero ser no futuro conforme a tecnologia e o conhecimento cientfico do problema evoluem.

GRACE [SI baseado em casos reais ocorridos em campo, conclui que o fenmeno da migrao do gs no poo no to simples quanto acredita-se, que nem sempre o influxo se comporta como esperado.

KARSTAD et a1 [9] apresentam um modelo que considera a temperatura como varivel importante para a interpretao do comportamento do poo durante operaes de perfurao e controle de influxo, de modo a determinar um valor mais acwado da presso do fundo do poo.

SCHUBERT e WRIGHT [10] propem a utilizao de sensores acsticos para monitoramento do nvel de lquido no interior do espao anular no riser e apresentam os resultados de testes realizados em campo.

JCHOE et a1 [ l 11 apresentam um modelo bifsico modificado para simulao de kick e comparam-no com os modelos monofsico e bifsico dinmico. A partir deste modelo, resulta o desenvolvimento de simulador computacional.

DUPUIS et a1 [12] realizou testes experimentais em poo piloto para estudar um modelo de perda de carga em poos de pequeno dimetro alm de investigar os regimes de escoamento bifsico em condies de operao. Mtodos de controle de poo tambm foram validados.

ROMMETVEIT et a1 [13] realizaram testes em escala real de kicks de gs para estudo do comportamento do influxo, assim como das presses, no poo horizontal de alta presso. Foi utilizado tubo de ao de 200 m de comprimento para simular o poo horizontal.

LEACH e QUENTIN [14] comprovam que o mtodo volumtrico esttico funciona corretamente, porm simulaes computacionais foram realizadas (utilizando vlvula de choke ideal), sem comprovao em teste prtico. VAN SLYKE e HUANG [15] apresentam urna nova abordagem para deteco de kick de gs em lama base leo utilizando um modelo computacional iterativo baseado em modelo desenvolvido para lama base gua.

JOHNSON et a1 [16] verifica os vrios fatores que influenciam na velocidade de ascenso do kick de gs, atravs de testes experimentais. Uma grande concentrao de gs subir rapidamente, deixando um rastro de pequenas bolhas que ficam paradas - causada pela tenso superficial da lama.

TARVIN et a1 [17] realizaram testes experimentais e simulaes para verificar que a velocidade de subida do influxo de gs adotado pela indstria no est de acordo com a realidade, ou seja, o gs tende a subir a uma velocidade maior que a assumida pelo sondador.

3. I Comportamento do gs no poo Antes de qualquer ao no sentido de realizar a retirada do influxo do interior do

poo, necessrio conhecer detalhadamente qual o seu comportamento quando dentro do poo.

Caso o fluido invasor seja algum lquido (leo ou gua) proveniente do reservatrio, seu comportamento fcil de ser modelado uma vez que incompressvel e, desta forma, comporta-se da mesma maneira que o fluido de perfurao. Neste caso no existem maiores dificuldades em sua retirada.

Caso o fluido invasor seja compressvel (gs), seu comportamento bem diferente e mais complexo, uma vez que tende a se expandir enquanto se desloca em direo a superfcie. Alm disso, inflamvel e apresenta o risco de exploso se conseguir atingir a sonda de perfurao (o leo tambm inflamvel, porm possui maior ponto de ignio). Por ser o caso mais complexo e perigoso, o kick de gs o objeto de estudo neste trabalho.

3.1.1 Migrao do gs com poo fechado O comportamento de um kick de gs num poo fechado se baseia na lei dos gases

reais, Equao 3- 1 :

P a presso absoluta do gs; V o volume do gs; Z o fator de compressibilidade do gs; T a temperatura absoluta do gs; O ndice 1 refere-se a um instante anterior e o ndice 2, a um instante posterior.

A hiptese mais simples, porm bastante ilustrativa, a que considera a lama incompressvel e o poo fechado rgido, ou seja, despreza-se a variao do volume do poo. Conseqentemente, o volume do influxo se mantm constante, considerando que

a temperatura no muda significativamente (processo isotrmico) e que o gs ideal (Z=l). Ento, pela Equao 3-1, a presso do gs deve permanecer constante.

Por possuir uma densidade muito inferior a lama, o influxo de gs tende a subir por efeito gravitacional. Conforme o gs migra em direo a superficie, considerando que seu volume no muda, desprezando a variao de temperatura e, ainda adotando o modelo de bolha nica, as presses do topo e da base da bolha de gs no mudam.

Conforme pode ser visto na Figura 3-1, no primeiro instante, aps o trmino da entrada de gs no poo a presso no fundo do poo (Pl) corresponde ao valor da presso de poros da formao. No segundo instante, a presso da base do gs (Pb) continua igual a presso de poros, e P1 possui um valor maior que ele, pois deve ser acrescentado a este o valor da presso hidrosttica causada pela coluna de fluido abaixo do gs.

Figura 3-1 - Migrao de gs com o poo fechado

Logo, o poo foi sobrepressurizado e um aumento de presso desse nvel pode romper a formao rochosa exposta mais fraca. Isso demonstra que no se pode deixar simplesmente um poo fechado quando da migrao do kick.

3.1.2 Migrao do gs com poo aberto Caso o poo seja mantido aberto durante o influxo de gs, a presso no fundo do

poo ser cada vez menor que a presso de poros devido a diminuio da presso ludrosttica no fundo causada pela expanso do gs conforme sobe em direo a superfcie, conforme Figura 3-2. Isso implicar na entrada de mais gs no poo.

Assim, o diferencial de presso no fundo do poo aumentar e causar um aumento na produo de fluido da formao, acarretando um crculo vicioso que rapidamente evoluir para um blowout, o que novamente enfatiza a necessidade de se fechar o poo o mais rapidamente possvel caso um kick seja detectado.

Figura 3-2 - Migrao de gs com o poo aberto

3.2 Fundamentos tericos de controle de poo Devido as dimenses do poo em relao ao reservatrio, este considerado como

um meio infinito, cujas propriedades no variam durante a perfurao do poo. O declnio de produo do reservatrio se daria ao longo de sua vida til, quando suficiente volume de hidrocarbonetos for drenado (com reduo da presso de poros) evidenciando o estado de depleo. Durante a ocorrncia de um kick, considera-se que o poo representa um volume de controle e o reservatrio, uma fonte infinita de massa.

Em poos submarinos, lminas d'gua profundas, o equipamento de segurana de poo (BOP) instalado no fundo do mar, ligado a sonda flutuante atravs de uma tubulao de grande dimetro (riser). Durante uma operao de controle de poo, onde o fluido invasor circulado para fora do poo, uma tubulao de pequeno dimetro (linha de choke submarina) segue paralela ao riser e conectada imediatamente abaixo do BOP. Da mesma maneira, uma outra tubulao de igual dimetro (linha de kill submarina) tambm segue paralela ao riser e conectada diametralmente oposta a conexo da linha de choke e ligeiramente abaixo. A Figura 3-3 mostra a disposio destas linhas.

Figura 3-3 - Riser e linhas de kill e choke

A linha de choke utilizada como rota de retomo do fluido de perfurao at a superficie. A linha de kill trabalha como caminho para injeo de fluido de perfurao no interior do espao anular entre o revestimento e a coluna de perfurao.

Durante todo o trabalho de perfurao, bem como nas operaes de controle de influxo, de suma importncia conhecer e manter a presso no fundo do poo constante e com valor ligeiramente superior a presso de poros do reservatrio.

Infere-se a presso no fundo do poo atravs da medio de presso nas linhas de superficie 4 e injeo e retomo (linhas de kill e choke e no tubo bengala). Uma margem de segurana operacional, ou sobrepresso, estabelecida durante a remoo do fluido invasor a fim de evitar um novo influxo.

Esta margem de segurana limitada pela janela operacional mostrada na Figura 3-4, onde aparecem o gradiente de presso de fratura da formao do reservatrio e o gradiente de presso de poros desta mesma formao em funo da profundidade

Janela operacional i bl Gradiente de pressa0 (psi) b

Leito do mr

a

, PTYS~O de f i a m da formapo

'Presso de poms da formapo

Figura 3-4 - Janela operacional entre presso de poros e de presso de fratura 161

Conforme a lmina d'gua aumenta, mais prximas ficam as linhas de presso de poros e fratura, e conseqentemente menor a janela operacional disponvel para trabalho na perfurao, exigindo um controle mais acurado e sofisticado. Em casos onde no seja possvel trabalhar dentro desta faixa, devem ser adotados procedimentos mais complexos (perfurao com gradiente duplo, perfurao sub-balanceada, etc).

Conforme pode ser observado nas figuras a seguir, o circuito hidrulico do fluido de perfurao durante a operao normal de perfurao e durante a operao de controle de kick so ligeiramente diferentes.

Figura 3-5 -Circuito hidrulico durante perfurao

Na perfurao a presso no fundo do poo garantida pela presso hidrosttica exercida pelo fluido de perfurao (Figura 3-5). Desta forma, sabendo-se a densidade do fluido e a profundidade do poo, a presso no fundo conhecida.

Bomba Tmaue de lama 1 de lama

Figura 3-6 - Circuito hidrulico durante controle de kick

Na operao de controle de kick, esta premissa j no vlida. Como existe neste caso uma certa quantidade de gs no interior do poo, de densidade desconhecida, a presso hidrosttica resultante no fundo do poo (no instante de deteco do influxo de gs) desconhecida (Figura 3-6).

O conhecimento das perdas de carga das linhas de kill e choke e do circuito de circulao de lama durante o controle de kick fundamental para se avaliar a presso no fundo do poo. Com este intuito, regularmente durante a perfurao efetua-se a medio da perda de carga do sistema com uma vazo reduzida, que a utilizada ao longo do controle do influxo. Esta vazo menor que a utilizada durante a perfurao para reduzir as perdas de carga no sistema (principalmente na linha de choke) - o que previne altas presses no poo - e evitar uma subida do gs muito rpida.

A rigor, no preciso conhecer exatamente o valor numrico da presso no fundo do poo e sim se esta presso menor, maior ou igual ao valor da presso de poros do reservatrio - valor este que pode ser conhecido ou no.

Para evitar o blowout e recuperar o controle da operao de perfurao, o poo fechado atravs do acionamento do BOP de modo que a presso no interior do poo

aumente devido a migrao gravitacional do gs sem (ou com pequena) expanso volurntrica e tambm pela adio de massa ao sistema. Este aumento de presso pode ser acompanhado atravs dos manmetros de superficie (no tubo bengala e no choke). Em um certo momento, o escoamento do gs do reservatrio cessar devido ao incremento de presso no poo que equilibra a presso de poros. Ou seja, neste exato instante a presso no fundo do poo atinge um valor idntico a presso de poros do reservatrio. Neste momento, os valores lidos nos manmetros na superfcie so fundamentais para a aplicao do procedimento de retirada do influxo:

No tubo bengala lido o valor da SIDPP (Shut In Drill P p e Pressure - Presso de Fechamento na Coluna de Perfurao); Na linha de choke lido o valor da SICP (Shut In Casing Pressure - Presso de Fechamento no Revestimento).

r

Tempo

Figura 3-7 - Determinao de SICP e SIDPP

A maneira de detectar na sonda que este ponto foi atingido atravs do acompanhamento do crescimento das presses nesses indicadores. Enquanto a subida das presses ocorre de maneira monotnica, a entrada de gs no poo no foi encerrada. Assim que atingido o equilbrio, ocorre uma momentnea estabilizao das presses elou mudana na taxa de crescimento delas. Os valores de SICP e SIDPP sero aqueles lidos imediatamente antes desta variao de comportamento (Figura 3-7).

A partir deste ponto, pode-se iniciar o procedimento de combate ao kick mais adequado a cada situao encontrada. Todos eles baseiam-se na manuteno da presso no fundo do poo constante durante todo o processo de retirada do influxo. A seguir so explanados os mtodos j adotados na indstria.

3.3 Mtodo do sondador um mtodo utilizado quando possvel circular fluido de perfurao pelo poo. Este mtodo consiste de duas etapas (circulaes), tendo como princpio

fundamental a manuteno da presso do fundo do poo (Bottom Hole Pressure - BHP) constante. Durante toda a operao, esta presso ter o valor igual a da formao que gerou o influxo acrescido de uma margem de segurana.

3.3.1 Primeira circulao

Figura 3-8 - Mtodo do Sondador: Primeira circulao

Na primeira etapa ou primeira circulao (Figura 3-8) realizada a expulso do fluido invasor com a utilizao do fluido de perfurao original. Esta circulao feita atravs da coluna de perfurao, passando pelo BOP submarino e retomando pela linha de choke submarina, usando a vazo reduzida.

3.3.2 Segunda circulao Aps a retirada do fluido invasor do poo, o problema no est ainda resolvido:

enquanto houver a circulao de lama, o poo estar em equilbrio dinmico, ou seja, com a presso no fundo do poo igual a da formao produtora devido a perda de carga existente no anular + linha de choke. Nesta situao, se o bombeio for interrompido ocorrer novo kick, pois a presso do fundo cair a nvel inferior a presso da formao (caso o influxo original no tenha sido causado por pistoneio ou uma reduo indevida da densidade da lama).

Neste caso, necessria uma segunda circulao.Assim, j sem a presena de fluido invasor no poo, efetuada a substituio do fluido original pelo novo fluido de perfurao com densidade modificada (aumentada) para "matar" o poo (Figura 3-9).

d a -

choke ----E9

Figura 3-9 - Mtodo do Sondador: Segunda circulao

3.3.3 Pontos crticos Deve-se prestar ateno durante a execuo deste mtodo no instante em que o topo

do gs atinge a linha de choke. Neste momento, a linha de choke ser preenchida praticamente por gs apenas - substituindo a coluna de lquido a existente - o que acarreta queda brusca da presso hdrosttica no fundo do poo, exigindo rpida resposta no acionamento da vlvula de choke no sentido de fecha-la e compensar esta queda de presso para evitar novo influxo.

O problema inverso ocorre quando a base do gs atinge a linha de choke. Neste momento, a linha de choke voltar a ser preenchida por lquido - substituindo a coluna de gs a existente - o que acarreta aumento da presso hidrosttica no fundo do poo, exigindo rpida resposta no acionamento da vlvula de choke no sentido de abr-la e compensar esta subida de presso para evitar fratura da formao mais frgil exposta no poo aberto.

3.4 Mtodos volumtricos Os mtodos volumtricos so aplicados quando no possvel executar a circulao

do fluido de perfurao atravs da broca. Problemas como broca entupida, coluna partida, bombas defeituosas, etc, podem acarretar tal necessidade.

Nestas situaes, quando se consegue utilizar a bomba de lama para circular atravs da linha de kill e retomar pela linha de choke, pode ser implementado o Mtodo Volumtrico Dinmico.

O controle feito atuando-se na vlvula de choke de modo a aumentar a presso na superfcie para compensar a perda de presso hidrosttica da lama no poo devido a expanso do gs, com o intuito de manter a presso no fundo do poo constante. O acompanhamento do deslocamento do gs ao longo do poo se d atravs da monitorao do volume do tanque de lama da sonda de perfurao.

3.5 Mtodo volumtrico esttico um mtodo utilizado quando no possvel circular fluido de perfurao pelo

poo. Esta situao pode ser atingida caso a bomba de lama apresente defeito, por exemplo.

utilizado apenas nos casos em que o BOP est instalado (na superfcie em poos terrestres ou no fundo do mar em poos submarinos).

Este mtodo consiste de duas etapas: a migrao do influxo at a superfcie e a retirada do influxo.

3.5.1 Primeira etapa

Figura 3-10 -Mtodo Volurntrico Esttico: Migrao do gs

A primeira etapa tem como princpio fundamental permitir a migrao do influxo sob expanso controlada at que atinja a superfcie (Figura 3-10). Esta expanso controlada obtida pela drenagem de fluido de perfurao na superfcie pelo choke. Nesta fase, a presso do fundo do poo (BHP) mantida aproximadamente constante enquanto a presso no choke aumenta. Durante toda a operao, a presso no fundo ter

o valor igual a da formao que gerou o influxo acrescido de uma margem de segurana que varia ao longo do processo de 100 a 150 psi. J no choke, a presso aumentar em passos de 50 psi.

Antes de iniciar o procedimento de controle do poo, deve-se calcular o volume de lama que gere uma presso hidrosttica (dentro do poo) de 50 psi. Tal valor obtido atravs da Equao 3-2:

onde: V o volume de lama a ser drenado, em bbl; C a capacidade do poo (caso o poo esteja sem coluna) ou do anular (caso a coluna esteja no poo), em bbllm; p a densidade da lama, em lblgal.

O procedimento do mtodo volumtrico esttico descrito abaixo: 1. Aps o fechamento do poo, aguarda-se o aumento da presso no poo

(devido a migrao do gs) de 150 psi como margem de segurana; 2. Drena-se o volume de lama equivalente a uma presso de 50 psi; 3. Aguarda-se o gs migrar novamente at que a presso suba 50 psi; 4. Drena-se o volume de lama novamente; 5. Aguarda-se que a presso suba 50 psi; 6. Repete-se o ciclo at que o gs atinja a superfcie (o gs no migrar mais).

A Figura 3-1 1 mostra o comportamento da presso no poo ao longo da primeira etapa:

I O 5 10 15 20 tempo 250 -

o

- - -

Figura 3-11 - Mtodo Volumtrico Esttico: presses na Iaetapa

--+- RessCio da formao -A- Resso no choke

4 I I

3.5.2 Segunda etapa

Figura 3-12 - Mtodo Volumtrico Esttico: Top kill

A segunda etapa, conhecida como top kill, consiste na injeo de fluido de perfurao novo com maior densidade pela linha de matar (kill line) e drenagem do influxo pelo choke (Figura 3-12).

Esta injeo se d da mesma forma utilizada durante a primeira etapa, ou seja, injetando-se a cada ciclo um volume que provoque uma hidrosttica de 50 psi, de acordo com a Equao 3-2.

O procedimento top kill descrito abaixo: 1. Aps o influxo atingir a superfcie, drena-se gs at que a presso no poo

caia 50 psi; 2. Injeta-se o volume de lama nova equivalente a uma presso de 50 psi; 3. Repete-se o ciclo at que todo o gs seja retirado do poo.

A Figura 3-13 mostra o comportamento da presso no poo ao longo da primeira etapa:

500 + Resso no fundo

O 5 1 O 15 20 tem po

250 -

Figura 3-13 - Mtodo Volumtrico Esttico: presses na luetapa

-L- Resso da formao -&- Resso no choke

3.6 Mtodos propostos

o 7

Como j visto anteriormente, nos casos ditos especiais os mtodos convencionais no se aplicam ou no possuem grande eficincia na retirada do influxo. necessrio, ento, a procura por novos procedimentos que melhor se adaptem a estas situaes.

Estes novos mtodos so obtidos a partir dos procedimentos j conhecidos dos mtodos convencionais de controle de poo, onde algumas modificaes so propostas com a inteno de aumentar sua eficincia, corrigir possveis problemas que comumente ocorrem durante sua aplicao na prtica ou simplesmente adequ-los as situaes especiais durante a operao de perfurao.

Para cada cenrio de estudo apresentado um mtodo novo (no-convencional).

3.6.1 Poo sem coluna: mtodo volumtrico dinmico um mtodo utilizado quando no possvel circular fluido de perfurao atravs

da coluna de perfurao. Este mtodo consiste em circular o fluido de perfurao original pela linha de kill, BOP submarino e retomar pela linha de choke enquanto o influxo migra para a superfcie devido a segregao gravitacional (Figura 3-14).

Em geral, aps o influxo atingir a superfcie e ser retirado o poo est morto (com o controle restabelecido), pois o kick quase sempre induzido durante a retirada da coluna.

Quando a causa do kick outra, a lama original no mata o poo. Neste caso, substitui-se o fluido original do riser, e nas linhas de kill e de choke por um fluido novo com maior densidade para que possa matar o poo.

Figura 3-14 - Mtodo volumtrico dinmico

O grfico de acompanhamento construdo atravs da Equao 3-3 [I], calculando- se a variao da presso no fundo do poo a partir da variao do volume no tanque:

onde: dPh a variao da presso no fundo do poo, em psi; AV a variao de volume no tanque de lama, em bbl;

a capacidade volumtrica do espao anular do poo, em bbllm. A capacidade volurntrica do espao anular calculada atravs da Equao 3-4 [I]:

C,,,a, = 0.003 187 x (D: - D: ) 3-4 onde:

Dc o dimetro interno do revestimento, em polegadas; Dt o dimetro externo da coluna de perfurao, em polegadas.

3.6.2 Broca acima do fundo: mtodo volumtrico dinmico, circulando pela broca

Para a situao em que o kick detectado com a broca acima do fundo do poo, este mtodo consiste em circular o fluido de perfurao original pela coluna de perfurao, BOP de superfcie e retomar pela linha de choke enquanto o influxo migra para a superfcie devido a segregao gravitacional (Figura 3-15).

Em geral, aps o influxo atingir a superficie e ser retirado o poo est morto (com o controle restabelecido), pois o kick quase sempre induzido durante a retirada da coluna.

Quando a causa do kick outra, a lama original no mata o poo. Neste caso, substitui-se o fluido original do riser, e nas linhas de kill e de choke por um fluido novo com maior densidade para que possa matar o poo.

kick

Figura 3-15 - Mtodo volumtrico dinmico, circulando atravs da broca

3.6.3 Poo submarino: mtodo do sondador injetando simultaneamente pela linha de kill e coluna de perfurao, retornando pela linha de choke

Este mtodo similar ao mtodo do sondador convencional, com a seguinte diferena: a injeo da lama de perfurao se realiza tanto pela linha de kill submarina como pela coluna de perfurao e o retorno somente pela linha de choke (Figura 3-16).

Nesta configurao, trabalha-se com o intuito de manter uma concentrao de gs mais uniforme na linha de retorno de modo a evitar, desta maneira, uma variao na presso hidrosttica do espao anular quando o gs entra na linha de choke.

d d pipe =----I

Figura Injeo pela linha de kill e pela coluna simultaneamente

4 0 Poo-Laboratrio O Poo Laboratrio da Petrobrs est localizado no Centro de Treinamento do E&P

em Taquipe - Bahia. Nele so realizados experimentos em escala real com as mais variadas intenes: desde teste de prottipos de novos equipamentos e avaliao de novos fluidos de perfurao at o teste de procedimentos especiais de controle de poo em situaes crticas.

Figura 4-1 - Vista area da sonda SC-72 do Poo-Laboratrio de Taquipe - BA

4.1 Sistema de aquisio de dados O Sistema de aquisio de dados consiste no sofhvare de controle do Poo

Laboratrio (DAC System) denominado Laboratoy Well, no hardware necessrio para controle a aquisio dos dados (controladores, placas, etc.) e nos transdutores que registram as variveis desejadas dos experimentos (presso, temperatura, vazo, etc.).

4.1.1 Software Este programa foi desenvolvido utilizando-se como plataforma de programao o

software comercial LabView (National Instruments) e permite monitorar as presses e temperaturas em vrios pontos, tanto do interior do poo propriamente dito como em diversos pontos na superfcie. O sistema capaz tambm de controlar e monitorar o mecanismo de injeo de ar comprimido para simulao de kick e o de circulao de fluido de perfurao.

A Figura 4-2 mostra o painel de controle interativo para superviso das variveis de processo dos experimentos realizados: variveis de superfcie (presses, temperaturas, vazes, volumes, etc.) e presses resultantes no fundo do poo.

Tal software apresenta um diagrama simplificado do circuito hidrulico, visualizao grfica das variveis (em tempo real), gravao de dados e acionamento remoto de equipamentos (vlvulas e compressores).

As principais caractersticas do programa so listadas a seguir: Layout com interface grfica;

Implementao de caractersticas cliente 1 servidor;

Acionamento remoto (manual ou automtico) do choke de gs (simulao de kick); Acionamento remoto (manual ou automtico) do choke de controle de poo; Desligamento remoto da bomba de lama;

Alarme sonoro configurvel para monitorao de qualquer varivel do sistema;

Gravao de todas as variveis em arquivo.

,

r

na

Q A I

Figura 4 ~ 2 - Tela do sistema de controle e aquisio de dados.

4.1.2 Hardware

Computador IndustriaI Pentium 11, 333MHz com sistema operacional Windows 2000, 128 Mb, HD 3 Gb, CD-RW, monitor SVGA 21" e interface grfica de alta resoluo;

Condicionador de sinais SCXI - National Instruments, composto de: 3 cartes amplificadores com ganhos ajustveis e barreira de segurana intrnsecas com capacidade para 8 canais em modo diferencial ou 16 canais em modo comum, para a aquisio de entrada dos 24 canais em loop de corrente de 4-20 mA dos sensores (temperatura, presso, vazo e nvel);

1 carto com 4 conversores digitaislanalgicos para controle de vlvulas com atuador eletro-pneumtico de 4-20 mA, utilizado somente um canal para controle do suprimento do ar comprimido;

1 carto com 4 sadas em micro-relay para acionamento de bombas. Carto multifuno MIO - 16E1 com capacidade para 8. canais em modo diferencial, 1 conversor DIA, 8 sadas digitais modo-enderevel para

controle, 3 contadores programveis. So utilizados como interface entre o computador e o condicionador de sinais SCXI alm, da utilizao dos 3 contadores, um utilizado para contagem de strokes, e os outros dois utilizados em cascata para contagem de strokes por minuto (spm).

As vlvulas de controle (choke injeo de ar comprimido, choke de controle de poo, sada de lquido do separador bifsico e sada de gs do separador bifsico) operam acionadas por um controlador cada uma, com faixa de 4 a 20 rnA. Tais controladores so comandados pelo DAC System.

4.2 Layout do poo Na Figura 4-3 mostrado um diagrama

instrurnentao.

Packer @ 733m

Kill l h e @ 741 m (OD = 2 318'' / ID = 1.995")

Shallow gas @ 857 m (OD = 1'' / ID = 0.85'3

Gas kick @ 1250 m (OD = 1" / ID = 0.85")

esquemtico do poo, com a sua

P4 @ 486 m

Choke line @ 734 m (OD = 2 318" / ID = 1.995'3

P3 @ 735 m

P1 @ 1238 m 1265 m (Casing - OD = 7" / ID = 6.184")

Figura 4-3 - Layout do Poo

Trata-se de um poo externo de 13.318" com 13 15 m de profundidade? cimentado at a superfcie. Interno a este foi descido um revestimento de 7" com 1292 m, ancorado na superfcie, que o poo experimental propriamente dito.

Pelo anular externo ao revestimento de 7" foram passados os cabos de instrurnentao, as linhas de injeo de gs [uma linha at o fundo do poo (Fl) e outra

linha at a profundidade de 857 m (F2)] e linhas de simulao de operaes martimas a 744,5 m (simula BOP submarino em lmina d'gua equivalente a esta).

Na Tabela 4-1 pode-se observar a composio da coluna de perfurao para os testes com a configurao submarina.

Tabela 4-1 - Composio da coluna de perfurao

Item Comprimento Dimetro externo

Tubo de perfurao 1 73 1 ,O I 2,764 I 3 54 I Packer I 2,5 I 2,406 I - 1 Tubo de perfurao 1 43 1 ,O I 2,764 I 3 54 1 Tubo pesado I 72,5 1 2 ?4 I 4 % I

Broca

4.2.1 Sensores de fundo O monitoramento do fundo do poo realizado por sete sensores capacitivos que

medem presso e temperatura em tempo real, fornecendo sinal em freqncia para temperatura e presso de forma que, aplicado aos clculos e correes, se obtm valores de presso e temperatura nas faixas de O a 100 "C e presses de O a 5000 psi.

O controle de chaveamento para comutao entre o sensor de temperatura e presso feito atravs da modulao na alimentao dos sensores. Todas as comunicaes para aquisio e controle so feitas por 2 (duas) interfaces GRC-503 com capacidade para 4 sensores cada, alm da utilizao de um driver de comunicao para Windows que controla o carto de comunicao paralela do GRC-503. Todos os sensores possuem erro mximo de leitura na faixa de 2 a 5%.

O posicionarnento de cada um deles indicado na Tabela 4-2 (ver Figura 4-3)

Tabela 4-2 - Disposio dos sensores de fundo

1 Sensores / Profundidade (m) I

Sensores do revestimento

I

/ Sensor da linha de kill I 246 I 4.3 Layout de superfcie

Na Figura 4-4 mostrado um diagrama esquemtico do sistema de superfcie, incluindo o sistema de simulao de influxo (parcial), o choke manifold de controle de poo e o sistema de circulao de fluido de perfurao (bomba de lama, os 4 tanques de iama e tanque de- manobra). So indicadas tambm as pos&es dos sensores de presso (PT), temperatura (TT) e vazo (Vortex).

Na Tabela 4-3 so mostrados os componentes do circuito hidrulico de superficie e suas dimenses

Tabela 4-3 - Circuito hidrulico de superfcie

Linha de kill de superficie (da bomba de lama at o manifold de cabea de poo)

Tubo Linha de injeo (da bomba de lama at o standppe + drilling house + swivel)

I Linha de choke de superficie

Dimenses

4"x58m

I (da cabea do poo at o manifold de controle de poo) I Linha do manifold de controle de poo para o separador 1 3"x34m

4.3.1 Sensores de superfcie

Os sensores de superfcie (sensores de temperatura, presso, vazo e nvel de lquido) utilizam protocolo de comunicao HART-420mA funcionando desta forma em loop de corrente, todos com barreira de proteo intrnseca e a prova de exploso.

Os sensores de presso e temperatura esto instalados a montante do tubo bengala, na linha de matar (Kill line), na linha de estrangulamento (Choke line) e no manifold de simulao de influxo (injeo de ar comprimido).

Os tanques de lama (quatro tanques de 100 bbl cada) esto equipados com sensores de nvel, os quais fornecem os volumes instantneos de cada tanque.

A velocidade de ciclo dos pistes da bomba de lama lida por um sensor de proximidade e transmitida para o sistema de aquisio de dados, em tempo real, assim como as leituras de todos os outros instrumentos. Tal medida fornece a vazo de injeo de lquido. Todos os sensores possuem erro mximo de leitura na faixa de 2 a 5%.

Na Figura 4-4 so indicadas as posies dos sensores de superficie.

LAY - OUT FLUXOGRAMA GERAL DE SUPERFkIE

Figura 4-4 - Layout geral do sistema de superfcie

5 Testes experimentais A realizao dos testes experimentais tem por objetivo avaliar a adequao dos

mtodos propostos de controle de poo para os cenrios mais crticos, bem como comparar com os procedimentos j utilizados, principalmente em lmina d'gua elevada.

Neste sentido, foi avaliado o comportamento das presses e temperaturas ao longo de todo o interior do poo, bem como em vrios pontos na superficie, durante a realizao dos testes experimentais, cujo fluido utilizado foi a lama base gua com alta viscosidade.

Nesta bateria de testes, trs cenrios foram definidos para simular as diferentes situaes possveis durante a operao de perfurao em uma sonda onshore ou offshore. A Tabela 5-1 mostra cada um dos cenrios.

Tabela 5-1 - Cenrios a serem testados

Configurao terrestre, poo de 1250 m

Configurao submarina, lmina d'gua de 733 m

1. Poo sem coluna, BOP fechado pela gaveta cega.

1 1.1 1 Mtodo volumtrico esttico

2. Broca posicionada a 490 m, BOP fechado pela gaveta vazada.

LI 1.2 m =

3. Broca no fundo do poo, BOP fechado pela gaveta vazada.

Mtodo volumtrico dinmico

2.2

2.1

Mtodo volumtrico dinmico, circulando pela broca

Mtodo volumtrico esttico + mtodo do sondador

Mtodo do sondador Mtodo do sondador injetando simultaneamente pela linha de kill e pela coluna, retorno pela linha de choke

Mtodo volumtrico dinmico LI 3.1

3.2

3.3

5.1 Procedimentos de realizao de experimentos Inicialmente, o poo e as linhas de superfcie foram totalmente preenchidos com

lquido. Vlvula de controle de nvel de lquido no separador foi fechada, preservando o selo hidrulico no vaso separador bifsico.

Durante a injeo de ar no poo, visto que o packer est selando o espao anular entre a coluna de perfurao (3 ?h") e o revestimento (T), o lquido deslocado desviado para o vaso separador atravs das linhas de choke "submarina" e de superficie, passando pelo choke manfold de controle de poo, inicialmente aberto.

O poo abastecido com lquido acima da posio do packer, deixando o BOP aberto. Assim, qualquer sinal de vazamento no packer a partir da pressurizao do poo evidenciado com escoamento de lquido atravs do bell nple, caindo na peneira pela calha.

Utiliza-se um mesmo tanque para admisso e retorno de lquido - circuito fechado. A Equao 5-1 foi utilizada a fim de calcular a presso de

induzir influxo de ar no poo, sobrepujando a presso exercida [18]:

injeo requerida para pela coluna de lquido

onde: P,,,,fi.ie a presso de injeo na superfcie, em psi; Pfundo a presso no ponto de injeo, em psi; h a profundidade do ponto de injeo, em ft.

A presso hidrosttica a 1250 m de profundidade, ponto de injeo de ar, dada pela Equao 5-2 [I]:

P = O . l 7 x p x h

onde: P a presso hidrosttica no fundo do poo, em psi; p a massa especfica do fluido utilizado, em ppg; h a altura da coluna de lquido, 1250 m.

5.1 .I Simulao de Kick de Gs Cilindros de ar comprimido alimentam continuamente a linha de injeo de ar, cuja

presso regulada atravs de urna vlvula estranguladora. Esta vlvula abre

gradualmente para manter constante a presso de injeo de ar, compensando o acrscimo de consumo de ar pelo poo devido ao aumento do diferencial de presso no ponto de injeo. Uma vez fechado o poo, a vlvula estranguladora de injeo de ar fechada gradativamente a medida que o poo absorve uma quantidade cada vez menor de fluido, restringindo o influxo at que o medidor de vazo de injeo de ar registra valor nulo.

Para simulao de influxo de gs no poo em cada teste, as seguintes etapas foram cumpridas:

1. Injeo de ar no fundo do poo (1250 m, presso hdrosttica = 1800 psi) a presso constante (1700 psi na superficie) deslocando lquido rumo ao separador e deste para o tanque. A presso no fundo do poo decai com a reduo do peso da coluna hdrosttica, motivada pela migrao e expanso do gs em direo a superfkie. Alm disso, a proporo que aumenta o diferencial de presso no ponto de injeo, a vazo de influxo de ar tambm cresce acentuadamente, assim como a vazo de sada de lquido.

2. Detectado um ganho de determinado volume (4 bbl para configurao submarina e 8 bbl para configurao terrestre) no tanque, o poo fechado atravs da vlvula de choke no manfold de controle de poo.

3. A presso de injeo de ar mantida constante, simulando o comportamento de um reservatrio de gs. Com o fechamento do poo, a diferena entre a presso no fundo do poo e a presso no ponto de injeo de ar tende a decrescer. Isto ocorre devido a pressurizao dos fluidos do poo, motivado por dois fatores:

a) Acmulo de massa no sistema, b) Ascenso do gs invasor.

4. Em decorrncia, a vazo de influxo diminui at chegar a zero, instante em que a presso no fundo do poo iguala-se a presso do "reservatrio".

5. Altera-se a tendncia da curva de presso na linha de retomo, estabelecendo- se um patamar (estabilizao momentnea) ou mudana da velocidade de subida (a variao passa a ser linear). Neste instante so obtidas SICP e SIDPP.

6. Posteriormente, d-se incio ao processo de remoo do fluido invasor, com procedimentos especficos para cada mtodo de combate a kick.

Evidentemente, para evitar novo influxo de ar, a presso no fundo do poo deve ser superior a presso do "reservatrio", acrescida de uma margem de segurana operacional. Uma vlvula de reteno instalada na linha de injeo de ar impede refluxo.

5.2 Fluido de perfurao O fluida utilizado nos testes experimentais era base gua, basicamente uma mistura

de bentonita, gua e alguns aditivos para definir a sua viscosidade, estabilidade e acidez. Em cada experimento, foi medida a viscosidade Marsh e verificados os parmetros

reolgicos com um viscosmetro rotativo de Fanh. Quando tais grandezas fugiam da faixa aceitvel (1 0% para mais ou para menos), a lama era tratada.

A seguir, na Tabela 5-2, so apresentados os valores mdios obtidos nas medies ds testes.

Tabela 5-2 - Propriedades do fluido de perfurao

I Viscosidade Marsh I Leituras do viscosmetro /

A partir destes dados, podemos definir qual o modelo reolgico que melhor r e p ~ s e n t a * ~ eomportamnto deste fluido. Basicamente, utiliza-se quatro modelas principais [19] :

1. Modelo Newtoniano; 2. Modelo Binghamiano; 3. Modelo de Potncia; 4. Modelo de Potncia Modificado.

5.2.1 Modelo Newtoniano

Um fluido definido como newtoniano quando durante o escoamento laminar este possui relao entre a tenso cisalhante e taxe de cisalhamento constante. Esta razo denominada viscosidade e s varia em funo da temperatura e presso.

Matematicamente, os fluido newtonianos so definidos pela Equao5-3:

' r = p . y

Onde: z tenso cisalhante, em lbf/100ft2; p a viscosidade, em cP; y a taxa de cisalhamento. A caracterstica principal dos fluidos newtonianos o comportamento linear da taxa de cisalharnento em funo da tenso cisalhante, conforme mostrado na Figura 5-1:

Figura 5-1 - Comportamento de fluido newtoniano

5.2.2 Modelos no-Newtonianos

Um fluido definido como no-newtoniano quando no possui, durante o escoamento laminar, relao constante entre a tenso cisalhante e taxe de cisalhamento. Esta razo denominada viscosidade e no varia em funo somente da temperatura e presso. Matematicamente, os fluido no-newtonianos so definidos pela Equao5-4 :

Onde: z tenso cisalhante, em lbf/lOOftz;; pa a viscosidade aparente, ou seja, a viscosidade que o fluido teria se fosse newtoniano, em cP; y a taxa de cisalhamento.

Dentre os modelos no-newtonianos, existem vrios modelos, alguns deles definidos a seguir:

5.2.3 Modelo Binghamiano

No modelo de Bingham (ou plstico ideal), requer a aplicao de uma tenso cisalhante mnima (zL - limite de escoamento) para que ocorra alguma deformao cisalhante. Quando so submetidos a uma tenso superior a TL, o fluido binghamiano comporta-se como um slido, s escoando na forma de fluxo tampo.

Matematicamente, os fluido binghamianos so definidos pela Equao5-5:

z=p , .y+z , para z > r, y=O para z 2 z,

Onde: z tenso cisalhante, em lbfllOOftZ;; pp a viscosidade plstica, em cP; y a taxa de cisalhamento; ZL O limite de escoamento, em lbf/lOOftz;. A expresso para a viscosidade aparente definida pela Equao 5-6:

Onde: a viscosidade aparente, em cP;

pp a viscosidade plstica, em cP; y a taxa de cisalhamento; ZL O limite de escoamento, em lbf/100ft2;. O comportamento do fluido binghamiano de forma grfica mostrado na Figura 5-2.

I , , I taxa de cisalhamento

4 , , , , , , , , , , , , , , , , , , I taxa de cisalhamento

Figura 5-2 - Comportamento de fluido binghamiano

5.2.4 Modelo de Potncia

No modelo de Potncia, no representa todo e qualquer fluido, nem a todo intervalo de taxa de cisalhamento. Porm, aplica-se a um nmero razovel de flidos no- newtonianos num largo intervalo de velocidades cisalhantes.

Matematicamente, os fluidos de potncia so definidos pela Equao 5-7:

z = K (y)" Onde: z tenso cisalhante, em lbf/lOOfP;; K o ndice de consistncia, em lbf.sn/lOOftz; y a taxa de cisalhamento; n o ndice de comportamento. A expresso para a viscosidade aparente definida pela Equao 5-8:

pa = K . (y)n- l Onde:

a viscosidade aparente, em cP; K o ndice de consistncia, em lbf.sn/100ft2; y a taxa de cisalhamento; n o ndice de comportamento. O comportamento do fluido de potncia de forma grfica, em escala log-log,

mostrado na Figura 5-3.

taxa de cisalhamento

Figura 5-3 - Comportamento de fluido de potncia

5.2.5 Modelo de Potncia Modificado

No modelo de Potncia Modificado, difere do modelo anterior por apresentar um terceiro parmetro reolgico: limite de escoamento.

Matematicamente, os fluidos de potncia so definidos pela Equao 5-9:

z = K .(y)" + z, para z > z, y=O para z I z,

Onde: z tenso cisalhante, em lbf/lOOftz;; K o ndice de consistncia, em lbf. sn/l OOftZ; y a taxa de cisalbi.iento; n o ndice de comportamento; z, o limite de escoamento, em lbf/lOOftz;. O comportamento do fluido de potncia de forma grfica, em escala log-log,

mostrado na Figura 5-4.

s taxa de cisalhamento Figura 5-4 - Comportamento de fluido de potncia modificado

5.2.6 Caracterizao do fluido de perfurao Com os dados obtidos do viscosmetro, podemos definir, inicialmente, qual o melhor

modelo que se aplica ao fluido de perfurao usado nos testes experimentais. A partir do software SimCarr 4.22, desenvolvido no Cenpes, possvel simular o

escoamento do fluido utilizando cada um dos modelos de escoamento no-newtoniano acima descritos.

Utilizando os dados da Tabela 5-2 obtm-se o modelo mais adequado e os parmetros reoigicos da iama:

Tabela 5-3 - Modelos e parmetros reolgicos do fluido utilizado

A partir dos resultados registrados na Tabela 5-3, pode-se concluir que o modelo mais adequado seria o modelo de potncia, por apresentar menor desvio padro. Pela anlise efetuada, o modelo de potncia modificado no seria aplicvel por apresentar valores de parmetros reolgicos sem significado fsico.

A Tabela 5-4 apresenta, finalmente, as caractersticas principais do fluido de perfurao utilizado durantes os testes experimentais:

Tabela 5-4 - Propriedades do fluido utilizado

Modelo

Bingham

Potncia

Potncia I Modificado

I Propriedade I Valor 1 Viscosidade Marsh 50a55 s Modelo reolgico Potncia

7,068 1 lbf.sn/lOOfP i

Desvio padro

4,77 lbf/100ft2

2,53 lbf/100ft2 I

5,20 lbf/100h2 ,

Parmetros reolgicos

5.3 Cenrio 7: poo sem coluna

ZL

Pp K n

K

n

20

densidade

Este cenrio representa a situao em que, durante a perfurao, a coluna totalmente retirada para troca de broca, por exemplo.

Os testes so realizados com o BOP fechado com a gaveta cega e o retorno de lquido se d atravs da linha de choke de superfcie, passando pela vlvula de choke de controle de poo de acionamento remoto. A injeo de lquido s pode ser realizada atravs da linha de kill de superfcie (Figura 5-5).

8,5 lbflgal

18,7 1 17,34

7,068 1 0,2763

0,0075 1,203 8 22,85

lbf/lOOftz CP

lbf.sn/lOOftz

lbf.sn/100ft2

lbf/l OOfiz

Figura 5-5 - Cenrio 1: poo sem coluna

5.4 Cenrio 2: broca a 490 m Este cenrio representa a situao em que, durante a perfurao, a coluna est sendo

retirada para troca de broca, por exemplo, e o kick detectado durante a manobra. Os testes so realizados com o BOP fechado com a gaveta vazada e anular e o

retorno de lquido se d atravs da linha de choke de superfcie, passando pela vlvula de choke de controle de poo de acionamento remoto. A injeo de lquido pode ser realizada atravs da coluna de perfurao (drll pzpe) ou pela linha de kill de superfcie (Figura 5-6).

drill pipe

h z b o k e

Figura 5-6 - Cenrio 2: broca acima do fundo do poo

5.5 Cenrio 3: broca no fundo (configurao submarina) Este cenrio representa a situao normal durante a perfurao de um poo no mar

com lmina d'gua de 740 m. Os testes so realizados com o BOP de superfcie aberto com a utilizao de um

packer instalado a 740 m, no papel de BOP submarino e o retorno de lquido se d

atravs da linha de choke submarina, passando pela vlvula de choke de controle de poo de acionamento remoto. A injeo de lquido pode ser realizada atravs da coluna de perfurao ou pela linha de kill submarina (Figura 5-7).

Figura 5-7 - Cenrio 3: configurao submarina com broca no fundo

-

5.6 Movimento do gs no poo

choke

Uma forma interessante de avaliar e comparar mtodos de controle de poo seria a possibilidade de visualizar a ascenso do gs injetado no fundo do poo durante a aplicao dos procedimentos. Por se tratar de um poo em escala real, revestido, no possvel observar a "olho nu" o que ocorre no seu interior.

Para contornar esta limitao, pode-se detectar a presena de gs em dado ponto do poo calculando-se a densidade mdia local e comparando-a com o valor da densidade da lama. Caso este valor mdio seja menor que a densidade da lama, existe gs neste ponto. Conhecendo-se a densidade deste gs, possvel tambm estimar a quantidade de gs neste ponto. Realizando este clculo para vrios pontos ao longo do poo, pode-se obter um perfil instantneo do gs em seu interior.

Os sensores instalados no poo esto representados de forma esquemtica na Figura 5-8. Com a posio de cada sensor conhecida, trivial calcular a densidade mdia em cada um deles atravs da Equao 5-10:

onde: pi a densidade mdia do fluido de perfurao no ponto i definido, em ppg; Pi a presso hidrosttica na posio do ponto i definido, em psi; Pi+l a presso hidrosttica na posio do ponto i+l definido, em psi; hi a profundidade do ponto i definido, em m;

hi+i a profundidade do ponto i+ 1 definido, em m. Como existem apenas 6 sensores instalados no interior do poo (Figura 5-8), um

grfico para representar este perfil de densidades ficaria pobre em resoluo. Pode-se interpolar alguns pontos intermedirios entre sensores de modo a se obter maior resoluo na plotagem da densidade.

Pontos de "medipo" de densidade mdia

e

Sensores de presso e temperatura

Figura 5-8 - Posio dos sensores e pontos de interpolao

6 Resultados Os resultados dos testes realizados so analisados graficamente utilizando-se os

dados obtidos em tempo real pelo sistema computadorizado de aquisio de dados. Para anlise dos resultados gerados foram definidos pontos crticos ao longo do tempo (indicados nos grficos com letras maisculas).

Como casos-exemplo, sero descritos detalhadamente os testes para cada cenrio especfico - configurao submarina, configurao terrestre sem coluna e configurao terrestre com broca no meio do poo - todos eles realizados com lama base gua de alta viscosidade como fluido de perfurao:

6.1. Configurao terrestre sem coluna: o Mtodo Volumtrico Esttico o Mtodo Volumtrico Dinmico

6.2. Configurao terrestre com broca no meio do poo: o Mtodo Volumtrico Esttico + Mtodo do Sondador o Mtodo Volumtrico Dinmico, circulando pela broca

6.3. Configurao submarina com broca no fundo: o Mtodo do Sondador convencional o Mtodo do Sondador com injeo simultnea pe