SISTEMA DE MONITORAMENTO E AUTOMACAO PARA PERFURATRIZESHIDRAULICAS DE GRANDE PORTE

Arthur Reis Lara Miranda∗, Agnaldo Jose da Rocha Reis∗, Paulo Henrique VieiraMagalhaes∗, Marciano Quites Macedo†

∗Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil

†Geosol - Geologia e SondagensBelo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Emails: arthurlmiranda@hotmail.com, agnreis@gmail.com, phvmag@gmail.com,

marcianomacedo@geosol.com.br

Abstract— A drilling rig, a machine designated to remotely obtain physics evidences, is used in mineralresearch to extract cores. Nowadays, drilling machines available on global market are expensive, inadequate toBrazilian rules and are manually operated mainly. The objective of this work is to develop a national drillingrig and standardize its operation. With the monitoring and the automation system proposed, the automation ofthe hydraulics actuators, the monitoring of essentials drilling variables as weight on bit and rate of penetration,one expects to achieve longer life cycle and better performance at lower costs.

Keywords— Diamond core drilling, SCADA, Process automation, Embedded Systems.

Resumo— Uma sonda, equipamento destinado a investigacao de variaveis fısicas remotamente, e utilizadapara pesquisa mineral por meio da extracao de amostras denominadas testemunhos do solo. Atualmente, essesequipamentos sao importados, caros, inadequados as normas Brasileiras e possuem atuadores de acionamentomanual que nao sao capazes de identificar e registrar os comandos efetuados pelo operador. O objetivo destetrabalho e desenvolver uma sonda nacional e padronizar a sua operacao com um sistema de monitoramento eautomacao, automatizando seus atuadores hidraulicos, monitorando variaveis essenciais para a perfuracao comopeso sobre broca (WOB) e a taxa de penetracao (ROP), obtendo assim uma maior produtividade, reduzindo oconsumo de insumos, reducao da carga de trabalho dos operadores, aumentando a vida util do proprio equipa-mento. A soma desses fatores resulta em menor agressao ao meio ambiente, aumento da seguranca operacionale do resultado financeiro da operadora

Palavras-chave— Perfuracao Diamantada, SCADA, Automacao de Processos, Sistemas embarcados.

1 Introducao

A sondagem rotativa diamantada testemunhada eum metodo bastante empregado na investigacaodas formacoes rochosas em grandes profundida-des. O metodo de sondagem convencional e carac-terizado pela realizacao de furos com dezenas demilimetros em diametro para se obter amostras derochas, chamadas de testemunho (Silay and Mc-Kinley, 2001). Esse exemplo de perfuracao paraprospeccao mineral e um subtipo do metodo rota-tivo de perfuracao, onde uma ferramenta de corte,em sondagem denominada coroa, e rosqueada emuma haste que recebe torque proveniente de ummotor hidraulico. Para remover os fragmentos derochas do fundo do furo e garantir a refrigeracao elubrificacao da ferramenta de corte, fluidos de per-furacao do tipo lama sao bombeados pelo interiordas hastes ate a coroa onde apos o contato como fundo do furo retornam a superfıcie por fora dahaste (Lienau and Lunis, 1991).

Apesar de ser uma atividade de engenhariaantiga, o nıvel de automacao em sondas paraprospeccao mineral ainda e baixo. Em (Pedersenet al., 2015) os autores sugerem que algumas dascausas desse atraso estejam relacionadas aos se-

guintes fatores: as empresas de sondagem aindanao entendem o benefıcio da automacao, a dis-ponibilidade de, certa forma restrita, de sensoresresistentes ao ambiente de mineracao, ao elevadocusto do retro-fitting em sondas antigas e a difi-culdade de se mudar as praticas de sondagem.

Alem dos fatores listados acima, existem va-rios desafios em tentar modelar completamenteum sistema de sondagem. Em (Downton, 2012), oautor apresenta um estudo desses desafios contem-plando partes especıficas do processo de sondagemtais como: analise da ferramenta de perfuracao,peso sobre a broca, fluidos de perfuracao, controlee movimentacao dos guinchos etc. O autor tam-bem desenvolve um estudo das interacoes que umequipamento de perfuracao tem com as paredesdo furo durante a perfuracao, adicao e retirada dehastes da coluna e troca de ferramental.

Um dos parametros mais importantes da son-dagem com coroas diamantadas e o Peso Sobrea Broca (WOB), em ingles weight on bit. Moni-torar essa variavel e crıtico para a velocidade deperfuracao e prolongamento da vida util da ferra-menta de perfuracao. De acordo com (Silay andMcKinley, 2001), se o WOB for muito pequeno aformacao rochosa acaba polindo a matriz de di-

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amantes da coroa tornando-a pouco eficiente emcortar rochas. Por outro lado, se for aplicado umWOB muito grande, os diamantes tendem a ser re-tirados de suas matrizes, destruindo a coroa. Emambos os casos e necessario trocar as brocas, que eum processo demorado quanto mais profundo foro furo, impactando negativamente no desempenhoeconomico da operacao

Atualmente, todo o controle do equipamentoe feito pelo know-how do operador, que tem a res-ponsabilidade de controlar a vazao e pressao dalama injetada no furo, a velocidade de rotacao eo WOB. Porem, com alta demanda de produtivi-dade e dependendo de informacoes pouco confia-veis, os sondadores podem muitas vezes trabalharcom parametros incorretos, onerando assim o pro-cesso de perfuracao como um todo.

(Godhavn et al., 2011) demonstra que atual-mente muitas funcoes manuais de uma sonda po-dem ser automatizadas e, na industria de Oleo eGas, ja existem sondas automatizadas tele ope-radas. A existencia de trabalhos, ainda manu-ais, reduzem a capacidade operacional do equipa-mento, limitando a producao diaria e aumentandoo tempo em que a sonda nao esta realizando pro-cessos produtivos.

E nesse contexto que se insere este trabalho,com o projeto e a implantacao de uma sonda paraprospeccao mineral nacional, dotada de um sis-tema de monitoramento e automacao. Este pro-jeto agiliza o processo de perfuracao, prolongandoa vida util do equipamento, fornecendo dados paraa manutencao, prevendo falhas e padronizando asacoes dos operadores no que tange o controle dosparametros operacionais da sonda.

2 Estado da Arte

Nesta seccao sera apresentado o estado da artesobre sondas hidraulicas para prospeccao minerale manipuladores de haste.

2.1 Sonda hidraulica

Nao existe disponıvel no mercado mundial umasonda hidraulica diamantada automatizada queatenda o mercado brasileiro de sondagens de pros-peccao mineral para superfıcie. Uma alternativa ealugar equipamentos para monitoramento de son-das para Oleo e Gas a um custo muito elevadoe adapta-los para pesquisa mineral. As principaisfabricantes de sondas de medio e grande porte queproduzem equipamentos do porte do escopo destetrabalho, entregam equipamentos com baixo nıvelde instrumentacao, controles manuais, nao ofere-cem servicos de historico de dados, alarmes e pro-tecoes adequadas aos operadores assim como mo-nitoramento de parametros de perfuracao.

Recentemente, diversas patentes para equipa-mentos autonomos, semiautonomos ou automati-

cos foram concedidas para diversas empresas doramo da perfuracao (Hoehn and Koeneke, 2015),(Stewart and Hill, 2016), (Silay and McKinley,2001), (McHugh, 2010). Por outro lado, outraspatentes apresentam inovacoes em partes especıfi-cas do equipamento como no posicionamento dotestemunho, no aprimoramento de controles hi-draulicos por meio de conjunto de valvulas propor-cionais, no tratamento dos erros do equipamentoe no uso de comunicacao sem fio para transmissaodas informacoes coletadas (Connell and Thomp-son, 2016), (Jiao et al., 2014), (Anghelescu andCrawshay, 2014), (Murray, 2010).

Em (Martin and Guerra, 2009), os auto-res apresentam um sistema Neuro-Fuzzy apli-cado as maquinas de perfuracao de alta perfor-mance. Um modelo matematico visando o con-trole para uma perfuratriz pode ser encontrado em(Downton, 2012). Modelos de sistemas de super-visao e controle de parametros para perfuracoesestao disponıveis nos trabalhos de (Butta, 2015),(Godhavn et al., 2011), (Pedersen et al., 2015) e(Vishnumolakala et al., 2015), sempre visando o

mercado de Oleo e Gas que possuem equipamentosde perfuracao maiores e que sao montados sobreplataformas.

Alguns trabalhos evidenciam a resolucao deproblemas mais especıficos do processo de per-furacao de pocos, como (Nandan et al., 2014),(Breyholtz et al., 2009) e (Stamnes et al., 2011)que focam no controle da pressao da lama bom-beada para o fundo do furo, utilizando estrategiasdiferenciadas.

3 Sistema de sondagem

Propoe-se neste trabalho o desenvolvimento de umsistema de monitoramento e automacao para umasonda de prospeccao mineral de superfıcie. O seudesenvolvimento consiste em estudar tecnologiasconsagradas e pesquisa das qualidades dos produ-tos existentes no mercado, para atuacao em pro-cessos semelhantes, adaptando-as as necessidadesdo processo de perfuracao para pesquisa mineral,propondo um novo sistema de monitoramento dosparametros operacionais em sondas de perfuracao.Este sistema contempla um conjunto de sensorese atuadores eletronicos que auxiliam o sondadora operar a sonda de forma segura evitando des-gaste precoce do equipamento e das ferramentasde corte.

Posteriormente ao estudo do processo foramdecididas as variaveis fundamentais para o pro-cesso produtivo e de manutencao, alem de umaestrategia para monitorar e automatizar essas va-riaveis, desde a selecao do transdutor ate o arma-zenamento por meio de um data-logger.

A escolha do CLP e da IHM, e baseada nanecessidade de utilizar equipamentos com a maiorprotecao possıvel contra a poeira e agua, alem da

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resistencia a vibracoes. Apos a definicao do CLP,e iniciada a programacao da rede de comunica-cao, da interface com o motor a combustao, dosatuadores, dos sensores e do manipulador de has-tes. Posteriormente a conclusao da programacao,o equipamento e parametrizado de acordo comos sensores e atuadores utilizados e os testes emcampo sao iniciados.

3.1 Sonda para prospeccao mineral

Um sistema de monitoramento e automacao emuma sonda e importante para se obter uma ope-racao eficiente do equipamento, sem submeter aferramenta de corte a condicoes de operacoes naoadequadas, o que reduz a sua eficiencia, prolon-gando a vida util da sonda mantendo os seus atu-adores em determinadas faixas de operacao.

A sonda e projetada para operar com furos deate 120mm de diametro, podendo alcancar a pro-fundidade de 1500m. Seu chassi, torre, atuadoresrotativos e guinchos foram projetados para obteruma sonda com capacidade de produzir 7kNm detorque, pull-up superior a 196,13kN e rotacoes deate 1200rpm. A Figura 1 ilustra os principais sub-conjuntos da sonda descritos neste artigo.

A energia hidraulica e gerada a partir de 3bombas movidas por um sistema de potencia cons-tituıdo por um motor a diesel. A primeira comvazao de 140cm3/rev comanda o avanco rapido,o acionamento da unidade de rotacao e dos doisguinchos. A segunda, com vazao de 75cm3/revatua em todas as articulacoes da sonda, nas pa-tolas, na movimentacao do ventilador do sistemade arrefecimento, na abertura e fechamento dacabeca hidraulica e morsa e no avanco lento deperfuracao. A terceira, de 45cm3/rev, comando oacionamento da bomba que promove a injecao delama no interior do furo.

Figura 1: Sonda em operacao no cliente.

O sistema de monitoramento e automacaoatua desde a unidade de forca -motor a diesel, ateas valvulas hidraulicas, mantendo as velocidadesem padroes seguros e garantindo a eficiencia pro-dutiva do equipamento. O sistema deve monitorare atuar no equipamento de acordo com a Tabela 1,onde M representa as variaveis monitoradas, MA

representa as monitoradas e automatizadas e Aas acoes apenas automatizadas. A terceira colunarepresenta a motivacao para o monitoramento decada variavel, podendo ser manutencao, acompa-nhamento do processo produtivo, ou para aferiralguma caracterıstica do processo.

Tabela 1: Parametros da sonda

Parametros Acao Motivacao

Pressoes Hidraulicas:Bomba primaria M ManutencaoBomba auxiliar M ManutencaoMotor hidraulico M TorqueCilindro de avanco MA WOBCabeca hidraulica e morsa MA OperacaoGuinchos M Protecao

Velocidades:Rotacao do ferramental MA ROPAvanco do ferramental MA ROPRotacao dos guinchos A OperacaoRotacao do Motor Diesel MA Manutencao

Temperaturas:Motor M ManutencaoTanque hidraulico M Manutencao

Vazoes:Bomba primaria M ManutencaoLama injetada MA Operacao

Outras pressoes:Lama injetada M OperacaoOleo do motor M Manutencao

Angulos:Roll e Pitch do chassi M OperacaoInclinacao da torre M Operacao

Outros:Fins de cursos MA ProtecaoWOB e ROP MA OperacaoNıveis dos tanques MA ManutencaoTorque no ferramental MA ROP

Figura 2: Diagrama de blocos do sistema de mo-nitoramento e automacao.

A Figura 2 ilustra o funcionamento de todo osistema de monitoramento e automacao. O CLPcomunica de forma bidirecional com o motor, rece-bendo as informacoes de seus sensores e enviandorequisicoes de torque e rpm. A IHM tambem co-munica com CLP de forma bidirecional, enviandoas solicitacoes do operador e recendo as informa-

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coes coletadas pelos sensores da sonda e do motor,que sao enviadas ao CLP. Outra funcao da IHMe armazenar de forma temporaria todos os dadosdo sistema, disponibilizando-os via conexao USB.O planejamento da operacao e realizado por umarquivo, recebido pela mesma conexao USB. Umdos grandes avancos deste projeto e a opcao deoperacao remota que a IHM permite, excluindodo operador a necessidade de estar o tempo todoem contato com a sonda.

Todos os atuadores sao comandados direta-mente pelo CLP. Estes estao divididos em 3 gru-pos de valvulas. O primeiro e o PVG100, comquatro corpos, grupo de valvulas proporcionaisdedicado ao acionamento de quatro atuadores hi-draulicos para equipamentos mobile. O seu acio-namento e feito por um sinal de tensao proporcio-nal. O segundo tipo e um servo atuador que atuano deslocamento do motor hidraulico. O terceirotipo de acionamento sao as valvulas cartucho, quepossuem tres variacoes, descritos de acordo com aTabela 2 onde a tensao de alimentacao Ucc = 27V .

Tabela 2: Atuadores e sinais de comando

Funcao Sinal

PVG:

Rotacao (0.25 −→ 0.75)× UccAvanco Rapido (0.25 −→ 0.75)× UccGuinchos (0.25 −→ 0.75)× Ucc

Servo Mecanismo:

Motor Hidraulico 200mA −→ 350mACartucho:

Morsa e Mandril on-offAvanco lento 0 −→ 1050mAbomba de lama 0 −→ 300mA

Entre os sensores, a vazao hidraulica e me-dida utilizando sensor do tipo turbina, com perdade carga inferior a 0,5 MPa. As pressoes hidrau-licas sao medidas por pressostatos comutando em10MPa, indicando a abertura da morsa e da ca-beca hidraulica. Sensores de pressoes com rangede 0 ate 40MPa, medem a pressao gerada pelabomba principal, auxiliar, as pressoes aplicadasno motor hidraulico e no cilindro de avanco. Como monitoramento das pressoes de linha do sistemae esperado a identificacao de vazamentos e trava-mentos de atuadores de forma rapida. As pressoesnas duas camaras do cilindro de avanco sao fun-damentais para o calculo da forca de avanco, quegera o WOB, de acordo com a Equacao 1.

Peso[kgf ] =

(PaπD2

c

4− Pr

πD2e

4

)× 0, 453 (1)

Onde Pa e a pressao de avanco, em psi, Pr

a pressao de recuo, De o diametro do embolo docilindro, em polegadas, Dc a diferenca entre osdiametro do embolo e da haste.

Para a afericao de torque no ferramental, eutilizada a pressao de alimentacao do motor, e asvelocidades de rotacao do motor e do ferramental.Com a diferenca entre as velocidades e possıvelencontrar a relacao das caixas de reducoes e pos-teriormente o torque no ferramental. O torqueaplicado na ferramenta e calculado por:

T [Nm] =

(vmvf

)×

(D× Mp ×ηhm

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)(2)

Onde vm e vf sao as velocidades de rotacao domotor e da ferramenta em rpm, respectivamente.D o deslocamento do motor, Mp a diferenca depressao entre a entrada e saıda do motor, aquiassumido como igual a pressao de entrada. ηhm e aeficiencia mecanica do motor. O ROP e calculadomedindo o avanco da haste Ah(t) por meio de umsensor a laser, que identifica a distancia da cabecahidraulica ate o topo da torre, em um determinadoperıodo de tempo, ROP=Ah(t)/t.

O monitoramento da lama e feito com um sen-sor de pressao por diafragma que identifica a pres-sao, e um sensor indutivo que mede a rotacao dabomba, que por sua vez gera uma vazao de 95 L/m@ 628rpm. Com estas informacoes e possıvel in-ferir o bloqueio do bombeamento, a existencia decavidades, o contato com o lencol freatico pressu-rizado, dentre outros.

Com este sistema de monitoramento, e possı-vel alcancar uma grande economia de combustıvelmantendo a rotacao do motor nos valores mınimospossıveis. Atualmente, o motor da sonda opera a1800rpm mesmo em momentos onde nao e neces-saria o deslocamento maximo das bombas. Sa-bendo a vazao consumida por cada acao do equi-pamento e possıvel controlar a rotacao do motora diesel para que as bombas fornecam a vazao ne-cessaria para executar cada tarefa sem desperdicarcombustıvel.

A automacao de intertravamentos permite obloqueio especıfico de algumas acoes, permitindoque outras de menor risco sejam utilizadas. Exem-plo o sistema manual de troca de hastes que exigeque a cabeca hidraulica rode lentamente com aprotecao aberta. Em equipamentos nao automa-tizados, a abertura de protecoes desarmam todo osistema hidraulico o que eventualmente resultamno ludibriamento de sensores. Sensores de fim decurso para os guinchos sao utilizados como prote-cao para as roldanas evitando choques mecanicoscom o ferramental de perfuracao.

3.2 Automacao de boletins de sondagens

Boletins de sondagens possuem informacoes vitaispara a sondagem. Neles estao escritas todas as ati-vidades realizadas durante o turno, com hora deinıcio e termino, a distancia perfurada, o tipo detestemunho, a quantidade de tanques de lama pro-duzidos e quais calibradores e coroas estao sendo

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utilizados. No modelo atual de boletim manus-crito, estas informacoes podem ser mau interpre-tadas devido a caligrafia do operador, a chuvas, alama que mancham o papel, dentre outros. Com osistema de IHM e Data-logger todo este processo erealizado de forma automatica, adicionando todasas variaveis listadas na Tabela 1, garantindo maiorconfiabilidade e agilidade no envio da informacao.

Com a capacidade de comunicacao entre CLPe motor a diesel, o boletim de sondagem ganhouinformacoes referentes ao consumo de combustı-vel, rotacao e torque utilizado durante cada etapado processo de perfuracao, manobra de ferramen-tal e outros.

Este conjunto de dados da operacao e manu-tencao oferece as empresas de Sondagem grandespossibilidades de estudo de desempenho das dife-rentes ferramentas de corte, dos operadores, daslitologias e dos custos com combustıveis.

3.3 Controle de pressao hidraulica

Em uma sonda hidraulica, a rotacao responsavelpor cortar a rocha no fundo do furo e gerada porum motor hidraulico. Este motor aplica o tor-que em um sistema de caixas de reducao que, porsua vez, transmite-o a coluna de perfuracao co-nectada ao ferramental de corte. A forca neces-saria para rotacionar todo este conjunto dependediretamente da rocha que esta sendo cortada dodiametro e inclinacao do furo, do fluido utilizadoe etc. Esta forca e induzida pelo diferencial depressao conforme apresentado na Equacao 2.

Quando as caracterısticas da rocha perfuradavariam, o torque exigido do equipamento tambeme alterado. Como este torque pode variar paramais ou menos podemos ter sobre saltos de velo-cidade, em variacoes negativas, e piques de pres-sao, em variacoes positivas. Por isso, e fundamen-tal controlar o basculamento do motor hidraulicopara proteger os sistemas hidraulico e mecanico.

Sondas convencionais, modelos de mercado,trabalham com bombas hidraulicas com rotacaode trabalho fixa de 1800rpm sendo que fica a cargodos Load senses do sistema hidraulico o controledo torque gerado. Este projeto propoe a super-visao da pressao hidraulica e atuacao no bascula-mento do motor hidraulico priorizando a conser-vacao de uma baixa pressao hidraulica e reducaono consumo do motor a diesel.

Primeiramente, e necessario escolher quais ospontos mınimos e maximos de pressao que o sis-tema hidraulico deve trabalhar. O Ponto mınimodeve ser considerado como a pressao necessariapara manter o sistema em movimentacao com umadeterminada profundidade dentro de um furo combombeamento de lama de perfuracao sem con-tato da coroa com o fundo do furo. Esta pres-sao foi mensurada em 800psi (5,52MPa). A pres-sao maxima recomendada para equipamentos de

perfuracao e de 150bar, aproximadamente 2200psi(15,17MPa).

O basculamento do motor e controlado porcorrente, onde 200mA fornecem o basculamentomaximo, com maior torque e menor velocidade e350mA fornecem o menor basculamento, com me-nor torque e maior velocidade possıvel para as par-tes mecanicas da cabeca hidraulica. Linearizandoa corrente em relacao a pressao temos a equacao 3onde I representa a corrente aplicada e P a pres-sao mensurada.

I = −0.1071429× P + 435.7143 (3)

As Figuras 3 e 4 representam dois experimentospraticos de controle de pressao durante o processode perfuracao. O basculamento do motor mantevea pressao bem estavel durante a perfuracao, sendoa rocha perfurada uniforme nao gerando grandesalteracoes de torque. Como pode ser observado,um aumento na pressao induz uma reducao na cor-rente de basculamento para oferecer mais torquepara a ferramenta.

Figura 3: Resposta 1 a variacao de pressao.

O contato com a rocha produz uma oscilacaono torque exigido do motor, e por consequencia,na pressao hidraulica. O projeto de instrumen-tacao do sistema hidraulico em conjunto com oscontroladores dos atuadores suavizam as altera-coes de pressoes no sistema hidraulico e reduzem avelocidade de rotacao de automaticamente quandoa ferramenta de corte encontra um material maisduro.

3.4 Testes

O equipamento, conforme apresentado na Figura1, ja foi testado em um furo piloto de 200m paraacertos mecanicos, hidraulicos e eletronicos nosmeses de Janeiro e Fevereiro de 2017 e operouem uma mineradora realizando dois furos de 200mnos meses de Abril e Maio. O resultado dos tes-tes formou uma extensa base de dados e feedbackda equipe de campo para continuar o aprimora-mento do sistema de monitoramento e automacaoda sonda.

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Figura 4: Resposta 2 a variacao de pressao.

4 Conclusoes

Este trabalho abordou o uso da automacao comoferramenta de melhoria no processo de prospeccaomineral. A existencia de alarmes possibilitam aooperador interromper o equipamento em caso deanomalias que antes so seriam detectadas com aquebra de alguma parte da sonda. A IHM possibi-litou uma operacao mais segura e ergonomica. Aautomatizacao dos boletins de sondagem aumen-taram a confiabilidade das informacoes coletadasdurante o processo de perfuracao, permitindo oacompanhamento do trabalho dos operadores du-rante os testes, dos esforcos aos quais o equipa-mento foi submetido, gerando indıcios de aumentode produtividade e perspectiva de reducao de cus-tos, alem de oferecer informacoes tecnicas para odesenvolvimento de melhorias no projeto.

Como sugestao de trabalhos futuros propoe-se a utilizacao de sensores para deteccao onlineda formacao que esta sendo perfurada, utilizacaode manipuladores de hastes automaticos e aperfei-coamento de tecnicas de controle no processo deperfuracao.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Universidade Federal deOuro Preto, ao Instituto Tecnologico Vale, a FI-NEP, as fundacoes Gorceix e Victor Dequech, aGEOSOL e aos seus funcionarios.

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