Brocas de Perfuração


As brocas são equipamentos que têm a função de
promover a ruptura e desagregação das rochas ou formações com o intuito de se
perfurar um poço de petróleo ou gás. Localizam-se na extremidade da coluna de
perfuração, logo abaixo do tubo de perfuração, e são fabricadas com materiais
de extrema dureza, tais como aço, carboneto de tungstênio e diamantes.

Por serem equipamentos giratórios,
realizam operações de corte e moagem das rochas enquanto promovem a remoção dos
resíduos resultantes. Contudo, são necessários outros componentes de perfuração
para prover o torque necessário a essas operações. Os denominados mesa
rotativa, top drive e motor de fundo cumprem essa função e substituem os antigos
métodos de perfuração, como, por exemplo, a tração animal, onde o uso de
animais, conectados à coluna por cabos presos a rodas de madeira, andando em
círculos faziam a broca rotacionar. Outros componentes essenciais para o
processo integram os sistemas de sustentação de cargas, de geração e transmissão
de energia e de movimentação de cargas.

Evolução

1859 – E.L. Drake e a sonda usada para perfurar o poço em
Titusville. Detalhe de brocas de percussão.

1863 – Broca de arraste tipo Rabo de Peixe.

1909 – Broca de dois cones patenteada por Howard Hugues.

1930 – Primeira broca monocônica.

1933 – Broca de três cones com dentes tipo engrenagem.

1940 – Uso de brocas de diamante natural em poços de petróleo.

1951 – Introdução dos insertos de carboneto de tungstênio como
elementos de corte.

1953 – Primeiros cristais de diamante sintético obtidos pelo Diamon
Team.

1976 – Compactos de diamante sintético em suas diversas
apresentações.

1978 – Primeiras brocas PDC

1994 – Interface não plana da superfície entre os materiais ajuda a
aliviar as tensões internas nos cortadores.

1994 – Presente – A espessura da capa de diamante pode ser
incrementada para dar mais durabilidade ao cortador PDC; Insertos para brocas
de cones com capa de diamante para melhorar a resistência à abrasividade; Broca
PDC moderna para aplicações com Sistema Rotatório Direcional.

Novos desenvolvimentos (A evolução continua) – Na figura
ilustrativa, da esquerda para a direita, brocas bicônicas perfuram um poço
piloto que logo é alargado por sua seção ampliadora; Brocas impregnadas como
uma versão moderna das brocas de diamantes naturais; Cristais diamantes
impregnados na matriz de carboneto de tungstênio, de forma que são expostos à
medida que a mesma se desgasta; Por último, apresentam-se as versões mais
modernas das brocas bicônicas e monocônicas.

As brocas podem ser classificadas de duas maneiras: brocas sem partes
móveis e com partes móveis. Cada classificação possui especificidades que
determinarão o desempenho das mesmas em diferentes formações rochosas e
condições físicas. Desta forma, a escolha do tipo correto de broca de
perfuração é fundamental para o sucesso da operação e para a redução de tempo e
gastos, uma vez que a mudança de broca após o início da perfuração é difícil e
envolve perdas de tempo e dinheiro. Cada broca localiza-se na extremidade
inferior da coluna e, para removê-la em caso de dano ou uso incorreto, todo o
aparato e demais componentes devem ser removidos do poço.

 

Brocas sem partes móveis

 

Neste caso, a possibilidade de
falhas é reduzida, pois inexistem partes móveis rolamentos. Os principais tipos
são: integral de lâmina de aço, diamantes naturais e diamantes artificiais
(PDC/TSP).

As brocas de lâminas de aço, também conhecidas como rabo de peixe (Fish Tail), basicamente aumentam o
diâmetro do furo. Possuem jatos, que são orifícios que permitem a passagem do
fluido de perfuração da coluna para o poço, os quais fazem a limpeza da broca e
removem os cascalhos gerados, mas a vida útil de sua estrutura cortante é muito
curta. Contudo, esse tipo de broca praticamente não é mais utilizado.

Devido ao aumento da demanda
mundial por petróleo, em meados do século XX, e à necessidade de se perfurar
poços mais profundos, nos quais formações mais duras e abrasivas são
encontradas, fez com que o uso de diamantes
naturais
fosse estendido para a indústria de petróleo. Antes eram
utilizados na indústria metal-mecânica e de mineração.

Como ilustra a figura acima, a
pedra de diamante fica incrustada na matriz da broca e um terço de seu tamanho
sobressai sobre a mesma e geralmente são arredondados, mas de forma irregular.
Seu mecanismo de perfuração é por raspagem e esmerilhamento, o que faz com que
a profundidade de corte seja menor. Entretanto, isso é compensado pelo alcance
de altas rotações.

Como apenas os diamantes fazem
contato com a rocha, o espaço resultante permite a circulação do fluido de
perfuração para limpeza e resfriamento da broca. Sua aplicabilidade, ou seja,
para que tipo de formação ela foi projetada, depende da quantidade de diamantes
fixados. 

As brocas que utilizam diamante sintético no formato de um compacto de diamante policristalino são as

brocas PDC (Polycrystalline Diamond Compact).

Seus
cortadores são na forma de pastilhas e podem ser de aço ou matriz. A figura
abaixo ilustra uma broca PDC de corpo de matriz.

Seu mecanismo de corte é por
cisalhamento e, devido ao seu desenho hidráulico, cortadores em forma de
pastilha e aos seus bons resultados na perfuração, este tipo de broca tem sido
bastante utilizado. Além disso, sua versatilidade se traduz em vantagens
econômicas. A gama de tipos e fabricantes é alta: há brocas PDC especiais para
cada tipo de formação, de muito duras à moles, e em diferentes diâmetros.

Já as brocas de diamante
termicamente estável são chamadas brocas
TSP
(Thermally Stable Polycrystalline)
e resistem mais ao calor gerado ao se perfurar formações mais duras. Embora
sejam um pouco mais utilizadas do que as brocas de diamante natural, elas
também apresentam restrições hidráulicas: vias de circulação praticamente em
contato direto com a formação e geram altas torções nos tubos de perfuração.

Existem, ainda, as brocas impregnadas, que são uma
evolução da de diamante. Seus elementos de corte estão impregnados na matriz de
carboneto de tungstênio que, devido à pequena exposição, necessitam ser
utilizados sob altas rotações para atingir taxas de penetração significativas. Durante
a perfuração, o desgaste da broca faz com que os cristais de diamante
impregnados na matriz sejam expostos continuamente, mantendo a estrutura de
corte afiada. Três tipos de brocas impregnadas estão representados na figura
abaixo.

O planejamento destas brocas deve
ser muito bem feito, uma vez que é o desgaste das mesmas, e com isso a
exposição de novos cristais, que fará com que a perfuração atinja resultados
satisfatórios. Porém, igual relevância deve ser dada ao impacto das variáveis
na durabilidade das brocas.

Brocas com partes móveis

As brocas com partes móveis podem
ter de um a quatro cones, sendo a sua estrutura de corte o fator mais
importante. A evolução tecnológica dos cortadores variou desde cortadores
formados por dentes fresados no aço dos cones (1909), dentes engrenados para
uto limpeza da broca (1925), dentes de aço recobertos com liga de carboneto de
tungstênio (metal duro, 1928), ao desenvolvimento de insertos de carboneto de
tungstênio para formações mais duras (1951).

Atualmente, dispõe-se de diferentes
graus de material desses insertos combinando-se diferentes tamanhos de grão com
o material de ligação à base de cobalto. As brocas de cones podem, então, ser
ajustadas com insertos resistentes à abrasão ou ao impacto.

Os rolamentos de cilindros e
esferas das brocas, responsáveis por segurar os cones às pernas da broca e
permitir seu movimento, acompanharam a evolução dos cortadores. Junto à utilização
de dispositivos para incrementar a vida dos rolamentos, como elastômeros de
alta resistência, as brocas de cones tornaram-se mais duráveis em ambientes de
perfuração hostis. E, para a limpeza mais eficiente do fundo do poço e
resfriamento da broca, os jatos podem ser dirigidos, estendidos, centrais e
difusores.

Os diferentes tipos de brocas de
cones estão ilustrados na figura abaixo. Tricônica de dentes de aço (parte
superior esquerda), tricônica de insertos (superior direita), bicônica de
insertos (inferior esquerda) e monocônica de insertos (inferior direita).

Em comum, possuem três importantes
componentes: estrutura cortante, rolamentos e corpo.

O corpo da broca contém uma conexão
rosqueada, que une a broca ao tubo de perfuração; três eixos de rolamento, onde
são montados os cones; depósito, que contém o lubrificante para o rolamento; e
orifícios, através dos quais passa o fluido de perfuração.

A figura abaixo mostra como o fluido de perfuração é jateado pela broca
no fundo do poço.

Para a perfuração petrolífera, as
brocas de cones são as mais utilizadas atualmente, sendo as tricônicas
utilizadas em maior escala pela sua eficiência e menor custo inicial em relação
às demais.

 

Lucas
Goulart

Diretoria
de Projetos do Portal do Petroleiro

Graduando
em Engenharia de Petróleo

 

Referências

PLÁCIDO,
J. C. R & PINHO, P. Brocas de Perfuração de poços de petróleo. Rio de
Janeiro, 2009.

THOMAS,
J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Interciência: Petrobras. 2. ed.
271 p. Rio de Janeiro, 2004.

Portal
Marítimo. Detalhes das brocas de perfuração. Disponível em:

<http://www.portalmaritimo.com/2016/11/04/brocas-de-perfuracao-conheca-alguns-detalhes/&gt;

Deixe uma Resposta

Preencha os seus detalhes abaixo ou clique num ícone para iniciar sessão:

Logótipo da WordPress.com

Está a comentar usando a sua conta WordPress.com Terminar Sessão /  Alterar )

Google photo

Está a comentar usando a sua conta Google Terminar Sessão /  Alterar )

Imagem do Twitter

Está a comentar usando a sua conta Twitter Terminar Sessão /  Alterar )

Facebook photo

Está a comentar usando a sua conta Facebook Terminar Sessão /  Alterar )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.