RAFAEL GOMES MARANHÃO PINTO

Engenharia de Petróleo e Gás

A IMPORTÂNCIA DOS FLUIDOS DE PERFURAÇÃO NA

CONSTRUÇÃO DE POÇOS.

Orientador: Professor Dr. Curt Max de Ávila Panisset

Centro Universitário Jorge Amado

SALVADOR, BA

2014

A IMPORTÂNCIA DOS FLUIDOS DE PERFURAÇÃO NA

CONSTRUÇÃO DE POÇOS.

Resumo: Ao citar os elementos fundamentais na perfuração de poços de petróleo, com

toda a certeza um dos mais importantes são os fluidos de perfuração. Os fluidos de perfuração

são tão indispensáveis como o sangue é para o corpo humano [BARRETT, 2011]. Os fluidos

ou lamas de perfuração, comumente chamados na indústria, foram inicialmente utilizados no

intuito de se transportar resíduos de rocha (cascalhos) dos poços em geral para a superfície.

Contudo, conforme as reservas de mais fácil acesso foram se esgotando, e outras em locais

mais desafiadores foram sendo descobertas, as técnicas de construção do poço tiveram que

evoluir. Apesar do método de perfuração rotativa ainda ser o mais utilizado desde o século

XIX, as lamas se tornaram cada vez mais complexas, mais funções e propriedades foram

agregadas, a fim de solucionar situações que ainda ocorrem durante a construção do poço.

Assim, além da remoção de cascalhos, os fluidos também, regulam a temperatura permitindo

o bom funcionamento dos equipamentos dentro do poço, lubrificam a broca, realizam a

manutenção da estabilidade na superfície e dentro do poço, entre outros. Isso tudo sem

comprometer a formação ou causar grandes perturbações no espaço anular do poço. Neste

trabalho, se apetece apresentar o conceito, as funções e aspectos que os tornam

imprescindíveis na construção de poços de petróleo.

Palavras-Chave: Perfuração, Fluidos de Perfuração, propriedades dos fluidos, Poços

de petróleo.

1 INTRODUÇÃO

O Petróleo, talvez seja a fonte de energia, e matéria-prima, mais importante de todos os

tempos. Essa complexa mistura de hidrocarbonetos foi um elemento fundamental para

desenvolvimento e evolução da humanidade. Em função disso, toda uma indústria foi criada

no intuito de desenvolver conhecimentos e formas de otimizar sua produção suprindo as

demandas de cada época.

Para obtenção do petróleo , são realizados diversos estudos geológicos e geofísicos a

fim de identificar a presença de hidrocarbonetos. Depois de confirmada uma reserva, dá-se

inicio a elaboração do projeto de poço, a qual, segundo Rocha, Azevedo (2009, p.3), é uma

das etapas mais importantes para sua construção. Nesta fase, independente do tipo de poço

que pretende-se construir, são determinadas todas as etapas de perfuração e demais operações,

isso é importante para se estipular o tempo e custo para construção do poço, servindo também

de parâmetro de avaliação da viabilidade econômica e técnica do projeto. O sucesso de um

projeto de poço de petróleo é tido quando se alcança as reservas de hidrocarbonetos

atendendo as normas vigentes de segurança, prazos e custos compatíveis com o mercado

[ROCHA, AZEVEDO, 2009, p.3].

A construção do poço propriamente dita é realizada através da sonda de perfuração. O

método mais utilizado até hoje é o método rotativo. Nesse método, as formações são

perfuradas por uma broca ligada a uma linha de tubos submetidos a uma força de rotação e

peso. Os cascalhos1 são removidos por um fluido de perfuração que é injetado no interior da

coluna de perfuração e retornando à superfície pelo espaço anular2, onde é tratado e

novamente injetado na coluna.

A construção de um poço só é possível com a utilização de algum tipo de fluido de

perfuração. Esses fluidos são aplicados para auxiliar o processo de perfuração de poços.

Inicialmente, eram utilizados na perfuração como um todo, mas foi na indústria do petróleo

que os fluidos evoluíram para o que são atualmente. A “lama”, como são comumente

conhecidos tais fluidos, podem ter base aquosa e/ou oleosa, a escolha de cada um depende das

condições de cada poço. Duas importantes propriedades são necessárias para que a lama

realize todas as suas funções:

1 Cascalhos são fragmentos de rocha gerados durante a perfuração.2 Espaço Anular é o espaço entre a coluna de perfuração e a parede do poço.

Viscosidade3: A água e o óleo por si só, apresentam

viscosidades relativamente baixas, o que em alguns casos são

consideradas insuficientes para o transporte de cascalhos. Nesses

casos se faz necessária à adição de componentes que aumentam a

viscosidade. Os componentes mais comuns são argila e algum tipo de

polímero.

Densidade4: Em muitos casos, as densidades da água e

do óleo são insuficientes para conter a elevada pressão dos poros5.

Para resolver isso, normalmente, adiciona-se certa quantidade de sal

de Bário (BaSO4), mineral geralmente encontrado na forma de

evaporitos6.[PAL SKALLE, 2014, p.8].

A alteração da viscosidade tem relação com o carreamento de cascalhos, no entanto, a

alteração da densidade do fluido está mais relacionada ao equilíbrio da pressão de poro e

raramente ao movimento de cascalhos para superfície.

2 SONDAS DE PERFURAÇÃO ROTATIVA

As sondas de perfuração são representadas pelo conjunto de equipamentos necessarios

para construção de um poço. Na construção podemos incluir a perfuraão do poço, instalação e

cimentação do revestimento, além de fornecer informações como base de dados no

planejamento de outras funções, como por exemplo, avaliação e execução dos mais variados

testes de poço. As plataformas de petroleo mais modernas dispoem de laboratórios e uma

equipe de profissionais bem preparadas para aplicação dos testes. Onde esses, são

fundamentais para determinar quais são as seções de interesse econômico, as caracteristicas e

capacidade produtiva do poço, entre outros dados.

Existem diversos tipos de Sondas de perfuração. A escolha correta da sonda é

determinante no desenvolvimento do poço, para isso é necessário. Uma seleção incorreta do

modelo de sonda por ser a causa de acidentes, danos á formação, baixa eficiência e elevados

de custos de operação. [MITCHELL; MISKA, 2011, p. 16]. Após a entrega das

especificações detalhadas por parte dos profissionais responsáveis pela perfuração,

comparam-se as especificações com o diagnostico do poço para que a sonda seja selecionada. 3 Viscosidade é a propriedade que mede a resistência do fluido ao escoamento.4 Densidade é a propriedade que mede a quantidade de massa por unidade de volume sob condições específicas de pressão e temperatura.5 Pressão de poros é a pressão do fluido contido nos espaços vazios da rocha.6 Evaporito é uma rocha sedimentar originada da cristalização de sais minerais que precipitam em um meio aquoso.

O modelo deve operar da forma mais segura possivel, com a melhor relação custo-eficiência,

além de atender requisitos tais como:

Mão-de-obra (experiente e treinada)

Histórico de aplicação

Fatores logisticos

Disponibilidade

Local de implantação

Requisitos técnicos.

Primeiramente as sondas são classificadas quanto ao meio no qual serão alocadas: Meio

terrestre ou maritimo.

3 CONDIÇÕES BÁSICAS DE PERFURAÇÃO

Para a perfuração das formações e remoção dos residuos de rocha do poço, é necessário

que três tipos de energia sejam transmitidos à broca.

1. Força Peso: fornecida pela coluna de perfuração, pricipalmente pelos tubos

pesados.

2. Rotação: fornecida pela mesa rotativa instalada na cabeça do poço, ou através

do Top Drive, a depender do layout da sonda.

3. Fluxo de Fluido de perfução: O fluido é injetado no interior da coluna de

perfuração, saindo pela broca, retornando pelo espaço anular levando os

fragmentos de rocha. Na superficie, o fluido tratado e novamente injetado na

coluna.

4 SISTEMAS DA SONDA DE PERFURAÇÃO ROTATIVA

As sondas de perfuração rotativa são utilizadas em, praticamente, todas as construções

de poços hoje em dia. Ela é composta por diversos dispositivos organizados em sistemas. Ao

todo são sete sistemas:

4.1 Sistema de Sustentação de Cargas (Hoisting System):

Constituido de mastro ou torre é uma estrutural de aço especial instalada na superficie

acima do poço com o objetivo de viabilizar as operações de troca e adição dos elementos

dentro do poço.

4.2 Sistema de Movimentação de Cargas:

É o nome dado ao conjunto formado por:

a. Guincho responsável por determinar a velocidade e parada da perfuração.

b. Bloco de Coroamento, instalado na parte superior do mastro ou torre tem a

função de suportar as cargas transmitidas pelo Cabo de Perfuração.

c. Elevador que o equipamento utilizado para movimentação dos tubos de

perfuração e comandos durante as manobras.

d. Catarina, sequência de polias móveis que, juntamente com o Sistema de

Sustentação de cargas, permite a execução de manobras7 da coluna de perfuração,

revestimento e outros equipamentos.

4.3 Sistema de Geração de Energia:

É o sistema responsável por fornecer a energia necessária para o funcionamento da

sonda. Composto basicamente por motores a diesel, em atividades offshore8 onde se tem

produção de gás, é economicamente viável a utilização de turbinas a gás para suprir a

demanda energética, não só da sonda, mas da plataforma como um todo.

4.4 Sistema de Rotação:

É o sistemaque engloba todos os equipamentos responsáveis em fornecer rotação à

coluna de perfuração. Convencionalmente composto por Mesa Rotativa/Top Drive, Kelly e

acessórios, Swivel, Coluna de Perfuração e broca.

Mesa Rotativa: Equipamento principal por fornecer força de rotação ao Kelly.

Top Drive: Também conhecido com Power Swivel, é o equipamento que substitui

a Mesa Rotativa e dispensa o uso de Kelly. Esse sistema acionado hidraulicamente ou por

motores eletricos apresenta algumas vantagens sobre o método da Mesa Rotativa. Dentre elas

estão: capacidade de se perfurar com uma seção de até três tubos por vez sem interrupção,

economizando tempo em manobras; permite a circulação de fluidos de perfuração e rotação

da coluna durante manobras o que reduz o risco de prisão da coluna, principalmente em poços

de alta inclinação.

Kelly: É o primeiro elemento tubular após o Swivel. O torque fornecido pela mesa

rotativa é transmitido ao Kelly por meio da bucha de Kelly e consequemente à coluna de

7 Manobra é o nome dado à operação, realizada na superfície, de substituição e adição de elementos no interior do poço, como por exemplo, a substituição de uma broca desgastada, ou de um tubo de comando.8 Offshore é o nome utilizado para se referir á atividades realizadas em mar.

perfuração. Normalmente encontrada em dois layouts: de seção quadrada, mais comum em

sondas onshore9 e de seção hexagonal, comumente utilizada em operações offshore devido a

sua maior resistência ao torque, torção e flexão empregados. [THOMAS, 2004, p. 63].

Swivel: É o elemento que permite a conexão da Catarina aos elementos rotativos

da sonda. Além de permitir a livre rotação da coluna sem transmitir para o sistema de

sustentação de cargas, o Swivel tem de suportar todo o peso da coluna e servir de canal de

injeção para o fluido de perfuração.

Coluna de Perfuração: Conjuto composto pelos tubos de Comando, Perfuração e

Pesados.

Broca: Parte que entra em contato com a superficie da rocha realizando a

perfuração.

4.5 Sistema de Segurança de Poço

Outro sistema indispensavel para operar, tem como funções detectar, interromper e

remover o fluxo indesejavel de fluidos da formação no interior do poço. O fluxo indesejavel é

conhecido como Kicks, e podem ocorrer por inumeras razões (pressão da formação elevada,

perda de circulação, fratura da formação, densidade da lama insuficiente, etc). Quando o Kick

não é controlado e atinge a superficie, têm-se um Blowout, o que é determinado pelo fluxo

indesejavel e incontrolado de fluido, gerando grandes danos à sonda e meio ambiente,

compromentendo a segurança da equipe de operação, danos às estruturas da sonda e em

alguns casos até perda total do reservatório.

Para o controle do poço utilizam-se os chamados Equipamentos de Segurança de

Cabeça de Poço (ESCP) entre outros equipamentos que permitem o isolamento do poço.

Blowout Preventer: É o principal componente desse sistema, eles permitem o

isolamento do espaço anular. Podem ser classificados em dois tipos: BOP Anular e BOP de

gaveta. Normalmente utilizam-se os dois tipos em conjunto, formando um arranjo de

prevenção mais seguro e eficiente. Esse arranjo é populamente conhecido na indústria

pretolifera de Árvore de Natal (Christmas Tree).

Choke Manifold é o arranjo de valvulas e tubulação especial contendo um ou mais

chokes10, através das quais a lama de perfuração circula quando o BOP está ativado

controlando as pressões geradas pelos Kicks. Em caso de Kicks de gás o Choke Manifold é

9 Onshore é o nome utilizado para se referir á atividades realizadas em terra.10 Choke é um dispositivo instalado em uma linha de tubo para restringir o fluxo de fluido, são normalmente instalados também nos BOPs.

capaz de direcionar o fluxo para o flare11, se o fluxo for de fluido de perfuração, direciona-se

aos tanques de lama, no caso de petróleo o desvio é feito para tanques especiais.

4.6 Sistema de Monitoração

È o sistema composto por: sensores, medidores, indicadores, alarmes e registros que

fornecem todos os dados necessários de forma segura, eficiente e confiável das operações na

sonda. [SAMPAIO, 2007, p. 65].

Esse Sistema é capaz de apresentar inumeros parametros ao operador, dos quais

podemos citar:

Peso sobre a broca (WOB) e carga do gancho conectado à Catarina.

Taxa de Penetração (ROP).

Valor de RPMs e Torque.

Pressão de Circulação.

Parametros do fluido de perfuração (Temperatura, densidade, perdas e

ganhos, etc).

Fluxo de fluidos, tanto na entrada como no saida do poço.

4.7 Sistema de Circulação

Sistema destinado a promover a circulação e tratamento da lama de perfuração

durante a perfuração. Têm-se como principais componentes:

Tanques ou reservatórios de Lama

Bombas

Linha de Circulação

Equipamentos de tratamento e mistura do fluido

Tubos e valvulas de superfície

O fluido de perfuração, armazenado em tanques próximos à sonda, é pressurizado e

forçado por bombas de alta potência para o tubo vertical (standipe) conectado à mangueira de

injeção (Rotary hose). A partir daí o fluido segue por dentro do Swivel, coluna de perfuração e

broca atigindo o fundo do poço. Ao retornar à superficie pelo anular, o fluido passa pelo

sitema de tratamanto (remoção dos cascalhos, areia e etc.) e em seguida é reinjetado no poço.

11 Flare é onde se realiza a queima de gases indesejados e/ou produzidos quando não há viabilidade de aproveitamento.

4.7.1 Bombas de Lama

São bombas utilizadas para promover fluxo de lama de perfuração através dos

sistemas. Normalmente utilizam-se bomdas de deslocamento positivo (BDP), Segundo

Ziemer (2014) por apresentarem algumas vantagens quando comparada às bombas centrifugas

(BC) tais como:

Capacidade de bombear fluidos abrasivos e com grande concentração de

particulas sólidas.

Apresentam manuteção e operação relativamente simples

Resistentes e confiáveis

Vazão de operação constante12 para cada rotação do eixo independente da

variação de pressão.

A vazão através da bomba aumenta para fluidos mais viscosos

4.7.2 Equipamentos de Controle de Sólidos

Tem o objetivo de reduzir ao minimum a concentração de sólidos e gases misturados

á lama. São removidos residuos de rocha dos maiores até as menores particulas. Esses sólidos

aumentam a densidade do fluido, sem aumentar a capacitacidade de remoção dos cascalhos,

sem contar que os solidos interferem negativamente na eficiência da perfuração.

4.7.3 Equipamentos de Tratamento e Mistura do Fluido

É o conjunto utilizado para injeção e mistura de aditivos dos fluidos de perfuração,

com a finalidade de proferir propriedades ao mesmo. Para os fluidos a base de água,

normalmente, adiciona-se argila e compostos orgânicos

5 COMPOSIÇÃO BÁSICA DA COLUNA DE PERFURAÇÃO

O poço é perfurado por uma broca em rotação sob a ação de uma força peso aplicada à

coluna de perfuração. Dentre todos os elementos da coluna, os principais são: Comandos,

tubos pesados e tubos de perfuração.

5.1 COMANDOS – Drill Collars (DC)

São tubos de alto peso linear instalados logo acima da broca, feitos de aço forjado e

usinado utilizados para proferir peso e rigidez á coluna, o que permite controlar a direção do

12 A vazão é praticamente constante nas BDPs, pois se observa que o fluxo varia cerca de 10% quando se opera com fluidos pouco viscosos e a pressões elevadas. Á nível prático, em alguns casos, a variação é pequena e considerada desconsiderável. [ZIEMER, 2014]

poço. Externamente, podem ser lisos ou espiralados, são construídos em diferentes diâmetros

internos e externos, tipos de conexão, entre outras características, com base nas normas

previstas pelo American Petroleum Institute – API.

Figura 1 - Comandos - Drill Collars (DC) 13

Fonte: Página do fabricante Shu Guang.

5.2 TUBOS PESADOS – Heavy-Weight Drill Pipes (HWDP)

São tubos construídos em aço forjado e usinado, com uma espessura maior das paredes,

conexões mais resistentes e com um reforço central no corpo do tubo. São utilizados

principalmente para prover rigidez entre os tubos de comando e tubos de perfuração.

[THOMAS, 2004, p. 71].

13 Página do fabricante Shu Guang disponível em: http://www.shuguang.com/en/huayang/other/Pro/zt.jpg

Acesso em 18 de set. 2014.

Figura 2 - Tubos Pesados - Heavy Weight Drill Pipes (HWDP) 14

Fonte: Página do fabricante Shu Guang

5.3 TUBOS DE PERFURAÇÃO – Drill Pipes (DP)

Figura 3 - Drill Pipe (DP) 15

Fonte: Pagina do fabricante Coretrax.

São Tubos de aço sem costura, ou seja, não apresentam soldas em sua extensão,

somente nas conexões cônicas do tipo rosca chamadas de tool joints (ferramentas de junção)

soldadas nas extremidades. Apresenta diâmetro externo variando de 2 3/8” a 6 5/8”, o

14 Página do fabricante Shu Guang disponível em http://www.shuguang.com/en/huayang/other/Pro/jzzg.jpg, Acesso 18 de set. 2014.15 Pagina do fabricante Coretrax. Disponível em http://www.coretrax.com/drilling_rental2.cfm?tech_ID=29 Acesso em 18 de set. 2014

comprimento nominal varia de 5,49m até 16,5m e o tipo de aço também pode variar a

depender da necessidade. [THOMAS, 2004, p. 71]

6 DIMENSIONAMENTO DA COLUNA DE PERFURAÇÃO

O conhecimento de alguns parametros é fundamental para o dimensionamento da

coluna de perfuração, dentre eles estão:

Peso do fluido de perfuração utilizado.

Profundidade total que se pretende atingir.

Fatores de segurança à tração, colapso e pressão interna e peso máximo sobre a

broca, todos tabelados na API RP7G [THOMAS, 2004, p. 75].

Segundo Thomas (2004, p. 75) a fórmula utilizada para determinar o número de

comandos é dada por:

n=PSBmá x

( FS )α w l

Onde:

PSBmáx = Peso Sobre Broca máximo

FS = Fator de seguraça (variando de 80% a 90%)

α = fator de Flutuação = [1− ρlama

ρa ç o]

w = Comprimento médio individual do comando

7

8 REFERÊNCIAS

BARRETT, Mary L. Drilling Mud: A 20th Century History. In 2011

INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON THE HISTORY OF THE OIL INDUSTRY.

Marietta, Ohio, June 23rd - June 25th, 2011. Oil-Industry History, V.12, n.1, 2011,

p.161-168

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Janeiro: Interciência: PETROBRAS, 2009.

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2014. Disponível em: http://bookboon.com/en/drilling-fluid-engineering-ebook. Acesso

em: 18 de set. 2014

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Publicado por Bookboon, 2014. Disponível em: http://bookboon.com/en/pressure-

control-during-oil-well-drilling-ebook?. Acesso em: 18 de set. 2014

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Completação: Composição e Propriedades. Tradução Jorge de Almeida Rodrigues

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