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:
Comments