Coluna de Perfuração: A importância de cada componente
O conjunto de equipamentos e acessórios que possibilitam a perfuração de um poço de petróleo é denominado sonda de perfuração. Nela existem sete sistemas responsáveis por fazê-la cumprir suas funções. São eles:
· Sistema de sustentação de cargas
· Sistema de movimentação de cargas
· Sistema de rotação
· Sistema de circulação
· Sistema de segurança do poço
· Sistema de monitoração
O sistema de rotação é o responsável pela transmissão de rotação para a broca e, nas sondas convencionais, a coluna de perfuração é girada pela mesa rotativa localizada na plataforma da sonda.
Mas de que forma se dá essa transmissão de rotação?
Ela pode ser feita de três formas:
· Pelo conjunto mesa rotativa e kelly, sendo este último um tubo de parede externa poligonal que fica enroscado no topo da coluna de perfuração.
· Pelo top drive, no qual um motor acoplado à catarina transmite rotação diretamente ao topo da coluna.
· E pelo motor de fundo, que é colocado logo acima da broca. O torque para a rotação da broca é gerado pela passagem do fluido de perfuração no interior da mesma.
Dessa forma, a grande quantidade de energia necessária durante a perfuração para que a broca corte as diversas formações é alcançada por esses equipamentos. Essa energia é transferida para a broca pela coluna de perfuração sob a forma de rotação e peso, permitindo a ruptura e desagregação das rochas em cascalhos, que são removidos do fundo do poço e carreados à superfície pelo fluxo do fluido de perfuração.
Além dessa função de transmitir rotação da mesa rotativa, top drive ou motor de fundo até a broca, a coluna possibilita e facilita a circulação do fluido de perfuração até mesma, sendo ainda mais essencial caso se utilize um motor de fundo, produz peso de forma que a perfuração avance e fornece controle sobre a direção do poço.
Portanto, a coluna de perfuração é um dos principais componentes do sistema de rotação de uma sonda e é constituída principalmente por comandos, tubos pesados e tubos de perfuração (elementos tubulares), além dos acessórios (não tubulares), que objetivam otimizar ou reparar algum problema no processo.
Para entender como funciona a coluna de perfuração, é preciso conhecer seus componentes.
Kelly
Como já dito, a mesa rotativa transmite rotação à coluna por uma haste, que pode ser quadrada ou hexagonal, chamada kelly, como mostra a figura abaixo. E como as operações de enroscamento e desenroscamento são constantes, é fundamental que a sua rosca seja protegida. Para isso, existe um componente chamado sub de salvação do kelly. Outro componente é o kelly cock, o qual permite o fechamento do interior da coluna em caso de kick.
Comandos (Drill Colars)
Os comandos são elementos tubulares fabricados em aço forjado, usinados e com alto peso devido à espessura de sua parede. As roscas são usinadas diretamente no corpo do tubo e, de acordo com alguns autores, a conexão é a parte mais frágil deles. Podem ser lisos ou espiralados externamente, como mostra a figura abaixo, e sua especificação pelo American Petroleum Institute (API) leva em consideração os diâmetros interno e externo, tipo de conexão, a parte externa e a existência ou não de ressalto para elevador.
O diâmetro externo é escolhido em função do diâmetro do poço e de uma possível operação de pescaria. Já o interno está ligado ao peso que se deseja fornecer ao conjunto.
Basicamente, suas funções são prover peso sobre a broca e rigidez à coluna.
Muita atenção deve ser dada aos comandos, uma vez que os esforços mais severos são aplicados sobre eles. Então, um bom dimensionamento deve evitar que eles sofram flambagem, deformações por compressão.
Tubos pesados (Heavy Weight Drill Pipe – HWDP)
Também são fabricados em aço forjado, mas sua função principal é promover uma transição de rigidez entre os comandos e os tubos de perfuração, diminuindo a possibilidade de falha por fadiga, pois uma mudança brusca de rigidez torna um ponto da coluna um local de concentração de tensões e, portanto, pode sofrer fraturas com mais facilidade. A figura abaixo mostra esse tipo de tubo.
Eles geralmente têm o mesmo diâmetro dos tubos de perfuração, porém, com maior espessura de parede e são bastante utilizados em poços direcionais como elemento auxiliar de peso sobre a broca. A utilização deles tem as seguintes vantagens:
· Diminuir a ruptura de tubos nas zonas de transição entre comandos e drill pipes
· Aumentar a eficiência e a capacidade de sondas de pequeno porte, pela sua maior facilidade de manuseio do que os comandos
· Diminuir o torque e o arraste em poços direcionais, devido à sua menor área de contato com as paredes do poço.
· Reduzir o tempo de manobra
Tubo de perfuração (Drill pipes)
A maior parte da coluna de perfuração é constituída por tubos de perfuração. Ele é fabricado por extrusão, não possuem costura e recebem um tratamento interno com resinas para a diminuição do desgaste interno e corrosão. O material a ser utilizado na fabricação desses tubos leva em consideração alguns fatores, como, por exemplo, a configuração do poço, temperatura e pressão no fundo do poço e ao longo dele, a presença CO2 e H2S e o torque e arraste.
A conexão entre um tubo e outro se dá pelos tool joints, que são uniões cônicas soldadas nas suas extremidades. Sua especificação, além do reforço utilizado nos tool joints, considera o diâmetro, peso e comprimento nominais e tipos de aço e rosca. A figura abaixo mostra os detalhes desse tipo de tubo.
Como a especificação de um tubo de perfuração é fornecida? Veja o exemplo a seguir.
O que cada item é e algumas de suas características são descritas a seguir.
O primeiro item é o diâmetro nominal (externo), o segundo é o peso, o terceiro é o grau do aço, o quarto é o reforço (upset), o quinto é o comprimento nominal e o sexto item é referente ao desgaste.
O diâmetro nominal é o diâmetro externo do tubo, não leva em consideração os tool joints. Os mais utilizados variam entre 3 5/8” e 6 5/8”. Ao determinar este e o peso nominal, pode-se especificar o diâmetro interno, espessura e o máximo diâmetro que uma ferramenta precisa ter para que não presa ao passar no interior.
A tabela a seguir exemplifica alguns tipos de aço e suas respectivas tensões de escoamento.
Quanto ao comprimento nominal (range), o mesmo pode variar de 5,49 até 16,50 metros. E, por fim, a identificação de um tubo de perfuração de acordo com o seu desgaste pode se feita pela tabela abaixo.
Lucas Goulart
Diretoria de Projetos Portal do Petroleiro
Graduando em Engenharia de Petróleo
Referências
THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. 2. ed. Rio de Janeiro. Interciência: Petrobras, 2004.
MATHIAS, V. M. Coluna de Perfuração em Poços de Petróleo. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal, 2016.
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