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DESENVOLVIMENTO E VALIDAO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE
CONTROLE DE POO EM SITUAES ESPECIAIS
Marcello Marques
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS PROGRAMAS DE
PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE
MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA OCENICA.
Aprovada por:
Dr. Heitor Rodrigues de Paula Lima, Ph.D.
Prof. tila Pantaleo Silva Freire. , Ph.D.
Dr. Antnio Carlos Vieira Martins Lage, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARO DE 2004
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MARQUES, MARCELLO Desenvolvimento e validao
experimental de procedimentos de controle de poo em situaes
especiais [Rio de Janeiro] 2004
XII, 83 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc., Engenharia Ocenica,
2004)
Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Controle
de poo 2. Perfurao
I. COPPE/UFRJ 11. Ttulo (srie)
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Resumo da Tese apresentada a COPPEAJFRJ como parte dos
requisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias
(M.Sc.)
DESENVOLVIMENTO E VALIDAAO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE
CONTROLE DE POO EM SITUAES ESPECIAIS
Marcello Marques
Orientadores: Theodoro Antoun Netto Heitor Rodrigues Lima.
Programa: Engenharia Ocenica
As tcnicas convencionais de controle de poo j esto bem
assimiladas pela indstria de petrleo, tendo sido testadas e
validadas em vrios casos reais registrados na literatura.
Entretanto, no existe consenso sobre alguns procedimentos para
situaes especiais durante a perfurao: cenrios de guas
ultraprofundas, coluna de perfurao acima do fundo ou totalmente
fora do poo, furo na coluna, etc. A literatura especializada
registra poucos exemplos de campo, muitas vezes apenas simulaes
computacionais de certas tcnicas especiais.
Atualmente, alguns mtodos no-convencionais de controle de poo,
especialmente os mtodos volumtricos (esttico e dinmico), muitas
vezes no so aplicados em situaes potencialmente favorveis por no
haver um conhecimento adequado sobre estes, tanto na literatura
como na experincia operacional.
Em funo de cenrios atuais de perfurao na Bacia de Campos,
principalmente em grandes lminas d'gua, onde as pequenas margens de
tolerncia ao kick restringem a utilizao de mtodos convencionais,
verifica-se a necessidade de se avaliar quantitativamente o
comportamento das presses ao longo do poo durante a aplicao destes
mtodos no-convencionais.
Este trabalho contempla o desenvolvimento e realizao de um
programa de testes experimentais visando analisar o desempenho dos
Mtodos Volumtricos Esttico e Dinmico, bem como o Mtodo do Sondador
e variaes, para os cenrios de poos em terra e poos em guas
profundas. Os testes foram realizados usando como o fluido de
perfurao lama base gua de alta viscosidade.
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Abstract of Thesis presented to COPPEAJFRJ as a partia1
fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science
(M. Sc.)
DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF WELL CONTROL
PROCEDURES IN SPECIAL SITUATIONS
Marcello Marques March/2004
Advisors: Theodoro Antoun Netto Heitor Rodrigues Lima.
Department: Ocean Engineering
Well control conventional techniques were well assimilated by
petroleum industry, have being tested and validated in many
literature registered real cases. Anyway, there is not a consensus
about some procedures in special situations during drilling: ultra-
deepwater situation, drill pipe above the bottom hole or completely
out of hole, hole in the drill string, etc. A few field exarnples
are registered in specialized literature, in most of cases only a
computational simulation of specific techniques.
Actually, some non-conventional well control methods, specially
the volumetric methods (static and dynamic), are not used in
potential favorable situation because there is not a better
knowledge about these procedures in field experience and in the
literature.
Because of the actual Campos Basin drilling scenario (specially
in ultra deepwater, where the small kick tolerance rnargin limits
the well control conventional methods) is necessary the pressure
behavior evaluation during the application of well control non-
conventional procedures.
This work explains the development and implementation of an
experimental test program wishing to analyze the Volumetric Methods
progress well as the Driller's Method (and its variations). Two
scenarios are described: onshore wells and offshore deepwater
wells. The tests were realized using high viscosity water base
mud.
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A meu Pai, por me mostrar que honestidade e inteligncia sempre
devem prevalecer na vida de qualquer pessoa.
A minha Me, por me ensinar a diferena entre o certo e o errado
que sempre guiou minha vida.
A minha esposa, pelo carinho, pacincia e apoio to importantes
nos momentos que mais precisei.
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Agradecimentos
A Deus, por iluminar meu caminho e permitir tantas realizaes em
minha vida.
A minha famlia, sem a qual nada conseguiria.
A ANP, pelo apoio financeiro para a realizao deste trabalho.
Aos meus orientadores, por me mostrarem o caminho das
pedras.
Aos amigos do mestrado: Joo Carlos, Rafael, Silvia, Janaina,
Adriana, Maurcio, Lus, Sidnei, Mario, Silvestre.
Ao Eng. Paulo Hora Andrade Jr., pela oportunidade de realizar
este trabalho no Poo- Laboratrio.
A toda a Equipe do Poo Laboratrio da Petrobrs em Taquipe:
Valter, Walcir, Jairo, Romualdo, Alberto, Femando.
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Indice
2 OPERAO DE PERFURAO 4 2.1 Influxos (Kicks) 6 2.2 Situaes
especiais em perfurao 13 2.3 Equipamentos de controle de poo 17
3 CONTROLE DE POO 23 3.1 Comportamento do gs no poo 2 5 3.2
Fundamentos tericos de controle de poo 27 3.3 Mtodo do sondador 3 2
3.4 Mtodos volumtricos 3 3 3.5 Mtodos propostos 37
4 o POO-LABORAT~RIO 4 1 4.1 Sistema de aquisio de dados 4 1
4.2 Layout do poo 44 4.3 Layout de superfcie 46
5 TESTES EXPERIMENTAIS 48
5.1 Procedimentos de realizao de experimentos 49 5.2 Cenrio 1:
poo sem coluna 5 5 5.3 Cenrio 2: broca a 490 m 57 5.4 Cenrio 3:
broca no fundo (configurao submarina) 5 7 5.5 Movimento do gs no
poo 58
6 RESULTADOS 60
6.1 Poo sem coluna 62 6.2 Broca a 490 m 6 8 6.3 Broca no fundo
do poo 74
7 ANLISE DOS RESULTADOS 83 7.1 Poo sem coluna 83
vii
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7.2 Broca a 490m 84 7.3 Broca no fundo do poo 85
8 CONCLUSOES 89
9 BIBLIOGRAFIA 91
APNDICE 93 A. 1. Definies bsicas 93
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Indice de fiauras Figura 2-1 - Sonda de perfurao 4 Figura 2-2 -
Perfurao do poo 5 Figura 2-3 - Revestimentos cimentados 6 Figura
2-4 - Kick 7 Figura 2-5 - Variao de volume do gs com a profundidade
7 Figura 2-6 - Contaminao da lama por gs 1 O Figura 2-7 - Perda de
circulao 13 Figura 2-8 - Broca acima do fundo 14 Figura 2-9 - Broca
entupida 16 Figura 2- 10 - Coluna furada 16 Figura 2-1 1 - Sistema
Diverter 17 Figura 2-12 - Conjunto BOP para poo terrestre 18 Figura
2-13 - BOP anular 18 Figura 2-14 - BOP de gavetas 19 Figura 2-15 -
Gavetas cega e cisalhante 20 Figura 2-16 - Carretel de perfurao 20
Figura 2-17 - Choke manfold 2 1 Figura 2-1 8 - Vlvula de choke
(corte transversal) 22 Figura 3-1 - Migrao de gs com o poo fechado
26 Figura 3-2 - Migrao de gs com o poo aberto 27 Figura 3-3 - Riser
e linhas de kill e choke 28 Figura 3-4 - Janela operacional entre
presso de poros e de presso de fratura 2 8 Figura 3-5 - Circuito
hidrulico durante perfurao 29 Figura 3-6 - Circuito hidrulico
durante controle de kick 3 O Figura 3-7 - Determinao de SICP e
SIDPP 3 1 Figura 3-8 - Mtodo do Sondador: Primeira circulao 32
Figura 3-9 - Mtodo do Sondador: Segunda circulao 3 3 Figura 3-10 -
Mtodo Volumtrico Esttico: Migrao do gs 34 Figura 3-1 1 - Mtodo
Volumtrico Esttico: presses na Ia etapa 3 5 Figura 3- 12 - Mtodo
Volurntrico Esttico: Top kill 3 6 Figura 3-13 - Mtodo Volumtrico
Esttico: presses na 2"etapa 3 7
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Figura 3- 14 - Mtodo volurntrico dinmico 3 8 Figura 3-15 - Mtodo
volumtrico dinmico, circulando atravs da broca 3 9 Figura 3-16 -
Injeo pela linha de kill e pela coluna simultaneamente 40 Figura
4-1 - Vista area da sonda SC-72 do Poo-Laboratrio de Taquipe - BA 4
1 Figura 4-2 - Tela do sistema de controle e aquisio de dados. 43
Figura 4-3 - Layout do Poo 44 Figura 4-4 - Layout geral do sistema
de superfcie 47 Figura 5-1 - Comportamento de fluido newtoniano 52
Figura 5-2 - Comportamento de fluido binghamiano 5 3 Figura 5-3 -
Comportamento de fluido de potncia 54 Figura 5-4 - Comportamento de
fluido de potncia modificado 5 5 Figura 5-5 - Cenrio 1: poo sem
coluna 5 7 Figura 5-6 - Cenrio 2: broca acima do fundo do poo 5 7
Figura 5-7 - Cenrio 3: configurao submarina com broca no fundo 5 8
Figura 5-8 - Posio dos sensores e pontos de interpelao 59 Figura 6-
1 - Grficos gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 63 Figura 6-2
- Acompanhamento da subida do gs no poo 64 Figura 6-3 - Grficos
gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 66 Figura 6-4 -
Acompanhamento da subida do gs no poo 67 Figura 6-5 - Grficos
gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 69 Figura 6-6 -
Acompanhamento da subida do gs no poo 70 Figura 6-7 - Grficos
gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 72 Figura 6-8 -
Acompanhamento da subida do gs no poo 73 Figura 6-9 - Grficos
gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 75 Figura 6-10 -
Acompanhamento da subida do gs no poo 76 Figura 6-1 1 - Grficos
gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 78 Figura 6-12 -
Acompanhamento da subida do gs no poo 79 Figura 6-13 - Grficos
gerados pelo Sistema de Aquisio de Dados 8 1 Figura 6-14 -
Acompanhamento da subida do gs no poo 82
-
r
Indice de tabelas Tabela 1 - Relao de smbolos utilizados xii
Tabela 2 - Fatores de converso para unidades SI xii Tabela 1-1 -
Situaes especiais durante a perfurao 2 Tabela 4-1 - Composio da
coluna de perfurao 45 Tabela 4-2 - Disposio dos sensores de fundo
46 Tabela 4-3 - Circuito hidrulico de superfcie 46 Tabela 5-1 -
Cenrios a serem testados 4 8 Tabela 5-2 - Propriedades do fluido de
perfurao 5 1 Tabela 5-3 - Modelos e parmetros reolgicos do fluido
utilizado 56 Tabela 6-1 - Padres de cores dos grficos 6 1
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Smbolos e unidades Tabela 1 - Relao de smbolos utilizados
I Smbolo I Significado I I Bottom-Hole Pressure I Presso no
fundo do poo
I BOP I Blowout Preventer I Preventor de blowout 1
I PRC
ECD MD PIC
/ Presso reduzida de circulao
Equivalent Circulating Density Measured Depth
Densidade equivalente de circulao Profundidade medida Presso
inicial de circulao
SICP SIDPP
Tabela 2 - Fatores de converso para unidades SI
ROP TVD
Shut-in Casing Pressure Shut-in Drill P p e Pressure
/ Comprimento I ft 1 0.3048
Presso de fechamento no revestimento Presso de fechamento na
coluna de perfurao
Rate of Penetration True Vertical Depth
Grandeza
Fora
Taxa de penetrao Profundidade real
/ Temperatura I "F I ("F-32)ll.g I
Unidade
lbf
Presso
/ Tempo I min I 60 I Viscosidade dinmica I cP I 0.001
Fator
4.448 222
psi
Unidade SI correspondente
N
gpm - Galo americano (gal) por minuto (min). scfm - P cbico
(ft3) por minuto (min) padro - a temperatura de 60F e
6.894 757
Volume
presso de 14.696 psia (20C e 1 atm).
Pa
gal 1 3.785 412 x 10" 1 m3
ppg - Libra-massa (lbm) por galo (gal). psia l psig- As letras a
e g distinguem entre presso absoluta e presso
manomtrica (gage), respectivamente; psia obtido a partir de psig
ao se adicionar o valor da presso atmosfrica.
xii
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1 Introduo Um blowout pode ser definido como a produo
descontrolada de fluidos da
formao para a superfcie (surface blowout) ou subsuperficie
(underground blowout), com presso suficiente para causar danos aos
equipamentos e a prpria plataforma e colocar em risco os operrios e
tcnicos da sonda. Um blowout no acontece repentinamente, mas se
desenvolve gradualmente a medida que a presso hdrosttica da coluna
de fluido de perfurao cai abaixo do nvel necessrio para equilibrar
a presso dos fluidos do reservatrio. Quando estes fluidos entram no
poo, este dito estar em kick. Se o kick no detectado e interrompido
em tempo hbil, ocorrer um escoamento incontrolado de
hidrocarbonetos, determinado na literatura tcnica como blowout.
Todo poo pode entrar em kick desde que:
1) A densidade do fluido de perfwao seja menor que a necessria
para gerar uma presso hdrosttica suficiente para equilibrar a
presso da formao e
2) A relao k/p (permeabilidade da rocha / viscosidade do fluido
da formao) permita o escoamento em meio poroso.
Se uma formao com presso anormalmente alta encontrada durante a
perfurao e a equipe de sonda no tiver conhecimento prvio desta rea,
fatalmente ocorrer tambm um kick. Devido a esta possibilidade, todo
poo equipado com um equipamento especial, chamado BOP
(blowoutpreventer), que consiste em um conjunto de vlvulas que
podem ser operadas hidraulicamente ou manualmente, projetadas para
conter possveis kicks. Uma vez que o poo fechado, a equipe de
perfurao pode preparar um plano para controlar o poo, circulando os
fluidos invasores e substituindo a lama original por outra mais
densa.
De acordo com a situao em que se encontra a operao, um mtodo de
controle de poo mais indicado que outro, em outros casos, apenas um
se aplica. Em funo de cenrios atuais de perfurao nas Bacias de
Campos e Esprito Santo, principalmente em grandes profundidades
d'gua, onde as pequenas margens de tolerncia ao kick restringem a
utilizao de mtodos convencionais, verifica-se a necessidade de se
estudar os mtodos chamados de no-convencionais e avaliar,
qualitativa e quantitativamente, o comportamento das presses ao
longo do poo durante a aplicao destes mtodos.
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A Tabela 1-1 apresenta algumas destas situaes, os mtodos usados
atualmente (chamados de convencionais) e os mtodos propostos.
Tabela 1-1 - Situaes especiais durante a perfurao
Situao Mtodo convencional
Poo sem coluna
I Poo I mtodo do sondador
Mtodos volumtricos (esttico e dinmico)
Broca posicionada a acima do fundo do
Mtodo volurntrico esttico at a broca +
Mtodo proposto
Broca posicionada no fundo do poo (alta profundidade d'gua)
*Mtodos volumtricos (esttico e dinmico)
Mtodo do sondador
Mtodo volumtrico dinmico, circulando pela broca
Mtodo do sondador modificado
Mtodo volumtrico dinmico
* Neste caso no existem mtodos propostos, apenas um estudo mais
detalhado dos mtodos convencionais.
Na situao do poo sem coluna, deseja-se entender melhor o
comportamento do gs ao longo de sua retirada do poo, tanto no mtodo
volumtrico esttico quanto no dinmico.
Com a broca acima do fundo do poo, pretende-se mostrar que o
mtodo volumtrico dinmico circulando pela broca mais fcil de ser
implementado, em comparao ao mtodo volumtrico esttico at a broca +
mtodo do sondador. O mtodo proposto mais simples de executar, pois
apenas uma operao executada do incio ao fim (e no dois mtodos em
seqncia) e no h a necessidade de monitorar a subida do gs no
poo.
Quando se est perfurando um poo em grande profundidade d'gua com
a broca no fundo do poo (a situao especial se deve apenas a grande
profundidade), usando-se mtodo do sondador corre-se o risco de
descontrole do poo no momento que o gs entra na linha de choke por
causa da brusca queda de hidrosttica que ocorre ao se substituir a
coluna de lama nesta linha por praticamente 100% de gs (podendo
induzir novo kick). Logo depois disso, com a sada do gs, esta
coluna de lama retoma e rapidamente a hidrosttica d um salto
(podendo causar a fratura da formao). Os dois mtodos propostos
tentam evitar este fenmeno ao garantir que durante todo o processo
a linha de choke estar preenchida por lama.
A partir de testes experimentais, em escala real, executados no
Poo-Laboratrio da Petrobrs onde foram simulados os cenrios acima
citados, pode-se fazer uma
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comparao quantitativa destes mtodos de controle de poo bem como
da aplicabilidade ou no dos mtodos propostos.
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A perfurao de um poo de petrleo realizada atravs de uma sonda
conforme mostrado na Figura 2-1.
Na sonda de perfurao esto instalados todos os sistemas
necessrios a operao de perfurao: gerao de energia, transporte e
movimentao de cargas, circulao de fluido de perfurao, etc.
"-Bloco de coroamento Cabo de pmfuraiio
----- Torre
-- Bomba de lama
Coluna de pmfuraiio
Figura 2-1 - Sonda de perfurao
Na operao de perfurao usado o sistema rotativo, onde as rochas
so perfuradas pela combinao da ao de rotao e peso aplicados a uma
broca instalada na extremidade de uma coluna de perfurao, como
mostrado na Figura 2-2. Esta coluna formada por tubos com parede de
grande espessura (comandos) e tubos com parede de pequena espessura
(tubos de perfurao).
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Bomba Tanque de kma f i dekma
Figura 2-2 -Perfurao do poo
Durante a perfurao tambm preciso remover de forma continua os
fragmentos da rocha cortada pela broca. Para esta tarefa utiliza-se
o artifcio de circular um fluido de perfurao, ou lama, com o
objetivo de transportar os cascalhos at a superficie, onde
peneirado para posterior retomo ao tanque (Figura 2-2).
O fluido injetado por uma bomba de deslocamento positivo atravs
da coluna de perfurao e retoma a superfcie atravs do espao anular
entre a coluna de perfurao e as paredes do poo, passando pelo
interior do riser de perfurao e chegando ao tanque de lama - onde
pode ser bombeado novamente. Outra funo da lama 6 garantir pela
presso hidrosttica por ela exercida que nenhum fluido do
reservatrio escoe para o interior do poo.
Aps a broca atingir uma determinada profundidade, retira-se a
coluna de perfurao do poo e uma coluna de revestimento de ao com
dimetro inferior ao da broca introduzida no poo. A regio entre o
revestimento e as paredes do poo preenchida com cimento de modo a
isolar as rochas cortadas e permitir o avano da perfurao com maior
segurana, como pode ser visto na Figura 2-3. Esta operao denominada
cimentao.
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Tubo condutor
Revestimento de superficie
Revestimento intermedirio
Revestimento de produo
Figura 2-3 -Revestimentos cimentados
Aps a cimentao, a coluna de perfurao descida novamente no poo.
Desta vez, a extremidade da coluna possui uma nova broca de dimetro
inferior ao revestimento recm-instalado. Reinicia-se, desta
maneira, a operao de perfurao at que se atinja o prximo ponto
determinado para instalao de novo revestimento.
A operao de perfurao composta, portanto, de vrias etapas
caracterizadas pelos diferentes dimetros das brocas usadas.
2.1 Influxos (Kicks) Influxo definido como o escoamento
indesejvel de certa quantidade de fluido do
interior da formao para o interior do poo, como visto na Figura
2-4. Este fluido pode ser leo, hgua, gs ou sua mistura. O influxo
de leo ou gua, apesar de indesejado, de fcil controle e no
apresenta maiores riscos.
O maior perigo ocorre com o influxo de gs, uma vez que, ao
contrrio do leo e da gua, um fluido compressvel. Por possuir
densidade bem inferior ao do fluido de perfurao, o gs tende a
migrar at a superfcie por efeito gravitacional. Conforme sobe,
tende a aumentar de volume, uma vez que a presso hidrosttica
diminui com a aproximao da superfcie. Esta expanso volumtrica
no-linear mais pronunciada quanto mais prximo da superficie,
conforme pode ser visualizado na Figura 2-5 [I].
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Figura 2-4 - Kick
Esta particularidade de comportamento toma muito mais perigoso o
influxo de gs, uma vez que sua expanso ao longo de seu deslocamento
ocasiona expulso de cada vez mais liquido do poo, ou seja, a presso
hidrosttica no fundo do poo tende a cair cada vez mais rpido. Esta
queda de presso aumenta o desequilibrio entre a presso da formao e
a presso do poo, acarretando em maior vazo de influxo. Desta
maneira o influxo tem a tendncia de se tomar um blowout, ou seja,
um escoamento contnuo e descontrolado de fluido da formao para o
interior do poo [ l ]
Volume de gAs
.r Figura 2-5 -Variao de volume do gs com a profundidade
2.1.1 Causas de kicks
Em geral, existem trs causas bsicas de influxos: A presso no
fundo do poo menor que a presso de poros da formao, causado pela
diminuio do nvel hidrosttico no interior do poo;
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A presso no fundo do poo menor que a presso de poros da formao,
causado pela diminuio da densidade da lama no interior do poo; A
presso de poros da formao anormal, ou seja, maior que a
prevista.
Existem vrias situaes que podem levar a uma destas causas de
influxo:
2.1.1.1 Falta de "ataque" ao poo durante manobras Esta uma das
mais frequentes causas de kicks. A operao de manobra em que a
coluna retirada do poo deve ser feita de tal maneira que, ao
mesmo tempo em que o tubo de perfurao iado, compensa-se com lama o
volume correspondente de ao removido do poo. Caso esta medida no
seja devidamente adotada, ocorrer queda da presso no fundo do poo
causada pela diminuio do nvel de lquido dentro do poo, podendo
levar, assim, a um influxo.
Durante a manobra, o volume de lama a ser injetado no poo
monitorado pelo tanque de manobra. Por ter uma seo transversal
menor que os tanques de lama, esse tanque permite um acompanhamento
mais preciso do seu volume, uma vez que uma pequena variao de
volume implica em pronunciada variao de nvel de lquido.
2.1.1.2 Presso de poros da formao acima do normal Se o poo a ser
perfurado pertence a um campo ainda desconhecido, onde suas
caractersticas principais ainda esto para serem definidas,
possvel se deparar com uma situao onde a presso de poros do
reservatrio a ser estudado seja maior que o normal. Numa situao
desta, a presso hidrosttica da lama de perfurao pode no ser
suficiente para evitar um influxo.
2.1.1.3 Pistoneio a reduo da presso no poo causada pela retirada
da coluna de perfurao. Este
fenmeno pode ocorrer de duas maneiras: Pistoneio mecnico: a
causa da reduo da presso a remoo mecnica do fluido
de perfurao para fora do poo devido ao acmulo de material
(enceramento) na broca ou nos estabilizadores. Este tipo de
pistoneio manifesta-se pelo retorno de lquido na superfcie e
possvel aumento na trao durante a retirada da coluna.
Pistoneio hidrulico: a causa da reduo da presso a induo de
perdas de carga por frico atravs do movimento descendente do fluido
de perfurao que ocupar o espao deixado abaixo da broca devido a
retirada da coluna de perfurao.
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O pistoneio hidrulico depende das propriedades reolgicas da
lama, da geometria do poo e da velocidade de retirada da coluna. A
Equao 2-1 mostra a variao de presso devido a perda de carga por
frico para um espao anular (fluxo laminar) segundo o modelo
Binghamiano [I]:
onde: AP a reduo de presso abaixo da broca, em psi; LCoi o
comprimento da coluna de perfurao, em m; TI o limite de escoamento
da lama, em lbfl100 ft2; d, o dimetro do poo ou interno do
revestimento, em polegadas; di o dimetro externo do tubo de
perfurao, em polegadas; pP a viscosidade plstica da lama, em cp;
Vret a velocidade de retirada da coluna, em mmin.
Para evitar este problema, adota-se a Margem de Segurana de
Manobra (MSM) na massa especfica da lama utilizada. Esta margem
simplesmente um acrscimo no valor da densidade da lama, e pode ser
avaliada no incio da manobra, que o instante mais desfavorvel,
definida pela Equao 2-2 [I]:
MSM = 2 AP 0,17 D
onde: MSM a margem de segurana de manobra, em lbdgal; AP a reduo
de presso abaixo da broca, em psi; D a profundidade do poo, em
m.
Uma outra medida preventiva a reduo da viscosidade da lama a
valores mnimos possveis antes da manobra ser realizada elou
controlar a velocidade de retirada da coluna de perfurao.
2.1.1.4 Contaminao da lama por gs A contaminao da lama por gs
pode causar uma reduo de sua densidade e, como
conseqncia, a diminuio da presso hidrosttica no fundo do poo.
Diz-se que a lama est "cortada" por gs (Figura 2-6).
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Figura 2-6 - Contaminao da lama por gs
A reduo de presso hidrosttica pode ser estimada pela Equao 2-3
[I]:
onde:
AP a reduo de presso no ponto considerado, em psi; p, a massa
especifica da lama, em lbdgal;
p,, a massa especifica da lama cortada por gs, em lbtngal; P h a
presso hidrosttica no ponto considerado, em psia.
2.1.2 Deteco de kicks A eficincia dos procedimentos de controle
de kick est na rapidez da descoberta do
influxo e na certeza de que o que est ocorrendo um kick
realmente. A rapidez na deteco est associada ao volume de influxo
que se permite entrar no
poo. Quanto mais rpido se percebe que est ocorrendo o kick,
menor o volume de fluido invasor, mais rpido e mais seguro ser a
sua remoo.
A certeza pela equipe de sonda de que se est sob um kick evita
atraso com a parada desnecessria da perfurao para ataques a kicks
inexistentes, alm de permitir a pronta resposta para aplicar os
procedimentos de controle do poo. Desta maneira, pode-se diminuir o
volume do influxo e reiniciar a perfurao em menor tempo.
2.1.2.1 Aumento de volume nos tanques de lama O aumento no
volume dos tanques um dos indcios mais positivos de kick. Deste
modo, o medidor de volume nos tanques deve sempre estar em
perfeitas condies de funcionamento para garantir a deteco de um
kick o mais rpido possvel.
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No caso de formaes de baixa permeabilidade atravs do aumento no
volume dos tanques que provavelmente o kick ser descoberto. Com a
entrada do influxo no poo, mais lama ser expulsa de maneira lenta,
com baixa vazo, de modo que depois de determinado tempo poder ser
notado um certo acrscimo no nvel de lama dos tanques.
Para evitar falsos alarmes, o qumico ou responsvel deve avisar
antecipadamente sobre manobras de vlvulas que causem mudanas no
nvel dos tanques. Em caso de unidades flutuantes, os responsveis
pelos guindastes tambm devero avisar quando do movimento de cargas,
pois a inclinao da embarcao afeta os medidores de nvel.
Para melhor preciso na monitorao do volume dos tanques de lama,
recomenda-se a utilizao de mais de um sensor por tanque.
2.1.2.2 Aumento na vazo de retorno de lama
O aumento na vazo de retorno o primeiro indicador de kick em
formaes de mdia e alta permeabilidade, assim o medidor no retomo
doflow line deve sempre estar funcionando corretamente.
Com a entrada do influxo no poo, mais lama ser expulsa de
maneira a aumentar a vazo de retomo. Se a formao for de alta ou
mdia permeabilidade uma vazo razovel ser apresentada pelo fluido do
reservatrio e um acrscimo significativo na vazo de retorno poder
ser detectado.
Deve-se sempre verificar se oflow line est livre de detritos que
possam obstruir o perfeito funcionamento do medidor de vazo de
retorno.
2.1.2.3 Fluxo com bombas de lama desligadas O escoamento de lama
com as bombas desligadas um indcio positivo de kick, e
como tal o poo deve ser fechado imediatamente. Umflow check
negativo no , no entanto, garantia de no existncia de influxo
no
poo, pois no caso de influxo durante manobras pode ocorrer kick
e oflow check indicar negativo. J durante a perfurao, umflow check
negativo d a certeza de no existir influxo.
Nas sondas flutuantes no se recomenda oflow check para se
confirmar um indcio de kick, mas sim proceder ao fechamento do poo
e monitorar as presses e, caso haja crescimento de presso, tem-se a
confirmao de um kick (pressure check) [ 2 ] . Durante o tempo que
efetuada a operao deflow check, o volume do influxo est aumentando
(caso exista o kick) o que toma o controle mais crtico.
-
Porm, deve-se fazer flow checks preventivos sempre antes de se
iniciar um procedimento menos seguro quanto ao kick, como, por
exemplo, a passagem de instrumentos conectados a coluna pelo BOP,
incio de manobras, etc.
2.1.2.4 Diferena dos volumes de ao e de fluido durante manobras
Durante a manobra o tanque de manobra ( t rp tank) deve estar
sempre operacional,
tanto para manter o poo cheio como tambm monitorar os volumes
trocados com o poo. Assim, na descida da coluna o trip tank deve
indicar um aumento correspondente ao volume de ao colocado no poo e
durante a retirada, o t r p tank deve indicar uma queda
correspondente ao volume do ao retirado do poo.
Na situao em que o volume de lama retomado maior que o volume de
ao descido ou que o volume de lama injetado menor que o volume de
ao retirado, pode estar ocorrendo um kick.
2.1.2.5 Aumento da taxa de penetrao Quando todos os fatores que
afetam a taxa de penetrao so mantidos constantes e
um aumento consistente neste parmetro observado, provvel que uma
zona de transio (trecho onde ocorre mudana de tipo de formao
rochosa) esteja sendo perfurada. Assim, o aumento da taxa de
penetrao causado pela reduo do diferencial de presso sobre a formao
pode ser usado como um indicador de presso anormalmente alta (PAA).
Alm disso, a normalizao da taxa de penetrao em relao a rotao da
broca, peso sobre a broca, dimetro da broca e densidade da lama
utilizada na indstria do petrleo para se estimar a magnitude da
presso de poros da formao. O expoente d, um dos mtodos de
normalizao da taxa de penetrao mais empregados no campo para deteco
e estimativa de presses anormalmente altas. Ele definido pela Equao
2-4 [llcomo:
onde: N a velocidade de rotao, em rpm; R a taxa de penetrao, em
Wh; W o peso sobre a broca, em lbmf; D o dimetro da broca, em
polegadas;
-
pn o peso especfico da lama anterior, em Ibmigal; pm o peso
especifico da lama atual, em Ibmlgal.
0 s valores de d, calculados em zonas de folhelhos normalmente
pressurizados so lanados num grfico cartesiano em funo da
profundidade para definir uma linha reta chamada de tendncia de
presso normal onde os valores do expoente d, calculados aumentam
linearmente com a profundidade. Quando uma zona de transio
encontrada, os valores calculados para d, comeam a diminuir
indicando o incio de uma zona de presso anormalmente alta.
2.2 Situaes especiais em perfurao So definidas como situaes
especiais durante a perfurao os eventos incomuns
que comprometam a segurana da operao ou causem sua interrupo.
Tais situaes geralmente so potenciais causas de influxos ou, caso
ocorram durante o controle de um influxo, dificultam o seu combate.
A seguir algumas destas situaes so explicadas.
2.2.1 Perda de circulao Durante a operao normal de perfurao,
quando da passagem da broca por uma
formao rochosa mais frgil, pode ocorrer o rompimento da formao
pelo fluido de perfurao, conforme ilustrado na Figura 2-7.
Figura 2-7 -Perda de circulao
Desta maneira, o fluido bombeado para dentro do poo no retoma a
superficie, invade esta formao mais fraca. Para que isto ocorra,
necessrio que a presso do fluido de perfurao seja superior a presso
de fratura desta formao. Uma conseqncia deste fenmeno a reduo da
presso no fundo do poo exercida pelo fluido, o que pode causar um
influxo.
-
Outro problema a ocorrncia de perda de circulao durante o
controle de um influxo. Neste caso, pode ocorrer novo influxo e, se
as providncias adequadas no forem tomadas a tempo, este influxo tem
o potencial de se tomar um blowout.
Perda de circulao geralmente notada pela equipe da sonda ao se
comparar as vazes de bombeio e retomo de lama. Percebendo-se que h
uma vazo de retomo menor que a vazo bombeada, pode-se estar em
situao de perda de circulao. Caso seja detectada esta situao, a
lama usada modificada com a mistura de aditivos adequados.
Uma maneira de prevenir tal problema a utilizao de tipo de
fluido de perfurao mais adequado (que contenha tais aditivos) de
acordo com a regio onde o poo ser perfurado, onde se saiba que
estas formaes mais frgeis possam existir.
2.2.2 Broca acima do fundo
Durante uma operao de manobra em que a coluna deve ser retirada
ou colocada no poo - seja para troca da broca, para inicio da
operao de cimentao, ou por qualquer outro motivo que exija esta
manobra - haver momentos em que a broca dever permanecer acima do
fundo do poo, ver Figura 2-8.
Figura 2-8 - Broca acima do fundo
A ocorrncia de um kick neste momento um problema mais delicado
do que durante a perfurao, uma vez que no h como injetar fluido
diretamente no fundo do poo. Isto pode acarretar um tempo maior
necessrio para a eliminao do kick, visto que a injeo de liquido,
nesse caso, no se d por baixo do influxo - como no mtodo do
sondador - o que aceleraria sua velocidade de migrao durante a sua
retirada.
-
2.2.3 Lmina d'bgua grande
Conforme o avano na perfurao de poos em guas cada vez mais
profundas, os problemas que antes eram mnimos ou inexistentes em
pequena profundidade passam
agora a ocorrer de maneira mais evidente. A principal delas a
perda de carga nas linhas de kill e choke.
Como necessrio agora um riser de maior comprimento para atingir
o leito marinho, as linhas de kill e choke tambm se tomam
demasiadamente longas e, desta forma, a perda de carga por frico
muito alta durante a circulao do influxo - quando so utilizadas.
Nesta operao, a presso no interior do poo mantida atravs desta
perda de carga, tomando crtica a operao de controle de poo em lmina
d'gua elevada. Esta presso pode ser controlada com a abertura (ou
fechamento) da vlvula de choke, porm, antes do final da circulao do
kick no mtodo do sondador a abertura total do choke atingida antes
da concluso da expulso do gs. Deste modo, a presso no poo poder
subir a valores que causem fratura da formao mais fraca. Neste caso
urna soluo operacional possvel a reduo da vazo de bombeio de lama
durante a circulao do kick com o intuito de diminuir a perda de
carga.
2.2.4 Broca entupida
Quando so adicionados materiais para evitar perda de circulao na
lama, pode ocorrer o entupimento parcial ou total dos orificios da
broca (Figura 2-9).
A queda de presso do fundo do poo devido a interrupo de circulao
de lama causaria a ocorrncia de um kick (ou um novo kick, caso j se
esteja combatendo um influxo no instante do entupimento). Assim
como no caso de broca acima do fundo, este problema tambm delicado,
uma vez que no h como injetar fluido diretamente no fundo do poo.
Isto implica em alguns fatores complicadores:
1. mais dificil controlar a presso no fundo, pois s possvel
bombear lama pela linha de kill, no topo do poo;
2. Um instrumento de medio a menos para utilizao durante o
procedimento de controle do kick - o manmetro do tubo bengala. Com
o interior da coluna de perfurao isolado do poo, o manmetro do tubo
bengala toma-se intil;
3. necessrio um tempo total maior para retirada do kick, visto
que a injeo de liquido no poder mais ser feita por baixo do
influxo.
-
Figura 2-9 -Broca entupida
2.2.5 Coluna furada
Da mesma forma que no entupimento da broca, um furo na coluna de
perfurao tambm pode provocar a queda de presso no fundo do poo
devido a reduo da vazo de circulao de lama, como pode ser observado
na Figura 2-10.
Figura 2-10 - Coluna furada
Durante a operao de combate a um influxo, a sobrepresso no poo
-que funciona como margem de segurana para impedir novo kick -
causada pela perda de carga por frico do escoamento da lama no
espao anular. Como o valor de perda de carga proporcional a vazo de
escoamento, se esta vazo cair, o valor da margem de segurana cair
tambm.
-
2.3 Equipamentos de controle de poo
2.3.1 Sistema diverter
O sistema diverter um preventor anular projetado para divergir o
escoamento oriundo do poo para linhas de grande dimetro (superiores
a 6 polegadas) que o conduzem para fora da sonda. Este sistema
normalmente no tem como funo o fechamento do poo e sim o desvio do
escoamento, evitando que o fluido produzido atinja o deck de
perfurao colocando em risco os equipamentos e a equipe de trabalho.
O conjunto formado pelo sistema diverter pode ser visto na Figura
2-11
bastante utilizado na fase inicial de perfurao offsshore de poos
pioneiros. Linha de Fluxo il I "Bell Nipple" h
Painel de Controle MSF - 50C
Linha do Diverier 1 1
Figura 2-11 - Sistema Diverter
2.3.2 Conjunto BOP Na Figura 2-12 pode ser visto um arranjo
tpico de um conjunto BOP para poo
terrestre.
-
Figura 2-12 - Conjunto BOP para poo terrestre
2.3.3 BOP anular O preventor anular (ou BOP anular) uma vlvula
que permite o fechamento do
poo em qualquer situao, isto , com colunas de diferentes
dimetros ou sem coluna, embora esta ltima operao no seja
recomendvel como rotina. Permite tambm que a coluna sofra pequenos
movimentos sem danificar o elemento vedante.
Sua representao esquemtica pode ser verificada na Figura
2-13.
Elemento Vedante
Anel de Adaptn@n
Figura 2-13 - BOP anular
-
2.3.4 BOP de gavetas O preventor de gavetas (ou BOP de gavetas)
tem a funo de fechar o poo, com ou
sem coluna de perfurao. Seus principais componentes podem ser
vistos na Figura 2-14.
Pode ser encontrado em conjuntos com uma, duas ou trs gavetas,
podendo ter sadas laterais. As gavetas podem ser de trs tipos:
vazadas, cegas ou cisalhantes.
Gaveta Vazada:
Gaveta Cega:
Gaveta Cisalhante:
Gaveta Vazada
Figura 2-14 - BOP de gavetas
- Permite o fechamento do anular do poo ao redor de uma coluna
de dimetro especfico, para o qual foi projetada - mostrada no
detalhe da Figura 2-14; - Projetada para fechar e selar o poo
quando no h ferramenta dentro do mesmo - Figura 2-15; - Tipo
especial de gaveta cega que, ao ser fechada com a coluna no poo,
provoca o seu corte e fechamento do poo, Figura 2-15. Deve ser
instalada sempre acima de uma gaveta vazada de forma que, numa
operao de corte, a coluna possa ser apoiada, atravs do tool joint,
na gaveta vazada e a ento cortada, evitando a queda no interior
do
poo.
-
GAVETA CISALHAN
Figura 2-15 - Gavetas cega e cisalhante
2.3.5 Carretel de perfurao (drlling spool) O carretel de
perfurao (Figura 2-16 e no conjunto BOP na Figura 2-12)
utilizado como proteo ao BOP, permitindo a instalao das linhas
de kill e de choke e ainda propiciando espao para permitir que um
par de to01 joints seja posicionado entre duas gavetas, durante uma
operao de strpping. A operao de strpping consiste no deslocamento
da coluna de perfurao para cima, com o BOP anular fechado, para
posicionar o to01 joint acima da gaveta vazada. Caso seja necessria
uma desconexo de emergncia, a coluna que permanecer dentro do poo
no cair no fundo.
Figura 2-16 - Carretel de perfurao
2.3.6 Linhas de kill e choke
Linha de Kill - a linha utilizada para amortecer o poo, isto ,
deslocar o fluido de perfurao para dentro do poo durante um
processo de controle do poo.
Linha do Choke - a linha que permite a conexo entre a cabea do
poo, e o choke manfold (Figura 2-17), devendo possuir presso de
trabalho compatvel com a presso de trabalho do conjunto BOP. Seu
dimetro deve ser grande o suficiente (maior que 3
-
polegadas nominal) para reduzir perdas de carga, eroso e
possibilidades de entupimentos.
Figura 2-17 - Choke manifold
Estrangulador ou Choke - um equipamento usado para restringir
escoamento, normalmente uma vlvula. Esta restrio cria uma
contrapresso que se transmite atravs do fluido circulante para a
formao. mostrado na Figura 2-18.
-
Figura 2-18 - Vlvula de choke (corte transversal)
-
3 Controle de poo Como visto anteriormente, aps ser detectado um
influxo, o poo deve ser fechado
imediatamente. Entretanto, esta ao somente no suficiente para
readquirir o controle do poo. Alguma interveno da equipe de sonda
necessria para evitar que o kick se torne um blowout - caso o poo
permanea aberto - ou a formao seja fraturada e ocorra um
underground blowout - caso o poo permanea fechado.
Visto que nenhuma das duas situaes desejada, foram desenvolvidos
mtodos de combate a kick. Tais mtodos consistem em procedimentos
operacionais que devem ser implementados de maneira a retirar o
fluido invasor do poo de forma segura, enquanto se mantm a presso
do fundo do poo em um valor constante e suficiente para evitar novo
influxo.
Os princpios tericos dos mtodos existentes mais utilizados na
indstria so descritos, analisados e estudados em vrios trabalhos.
NAKAGAWA, ANDRADE e LAGE [2] analisam, a partir de testes
experimentais no poo-laboratrio em Taquipe, os procedimentos mais
adequados para controle de poo durante situao normal de perfurao.
Concluram que mais vantajoso utilizar o fechamento brusco (hard) e
o mtodo do sondador.
HOLDEN e BOURGOYNE [3] avaliam, atravs de testes experimentais
de simulao de kick, a performance de diversos tipos de chokes,
procedimentos de controle de poo e confirmam a validade do modelo
reolgico de Bingham para clculo da perda de carga na linha de
choke.
LIMA et a1 [4] verificam o comportamento da temperatura e presso
dinmica em operaes de perfurao sem riser, alm de discutir a deteco
de influxos nesta configurao. Um modelo numrico foi desenvolvido
para simular o escoamento do fluido de perfurao.
POWER et a1 [ 5 ] discutem as similaridades e diferenas entre um
influxo e o fenmeno da "respirao" do poo (breathing well), fenmenos
facilmente confundidos. Critrios para diferenciao de cada caso so
propostos.
LEACH [6] [7] descreve um histrico sobre controle de poo, onde
mostra como eram os procedimentos de combate a kick antes, agora e
como devero ser no futuro conforme a tecnologia e o conhecimento
cientfico do problema evoluem.
-
GRACE [SI baseado em casos reais ocorridos em campo, conclui que
o fenmeno da migrao do gs no poo no to simples quanto acredita-se,
que nem sempre o influxo se comporta como esperado.
KARSTAD et a1 [9] apresentam um modelo que considera a
temperatura como varivel importante para a interpretao do
comportamento do poo durante operaes de perfurao e controle de
influxo, de modo a determinar um valor mais acwado da presso do
fundo do poo.
SCHUBERT e WRIGHT [10] propem a utilizao de sensores acsticos
para monitoramento do nvel de lquido no interior do espao anular no
riser e apresentam os resultados de testes realizados em campo.
JCHOE et a1 [ l 11 apresentam um modelo bifsico modificado para
simulao de kick e comparam-no com os modelos monofsico e bifsico
dinmico. A partir deste modelo, resulta o desenvolvimento de
simulador computacional.
DUPUIS et a1 [12] realizou testes experimentais em poo piloto
para estudar um modelo de perda de carga em poos de pequeno dimetro
alm de investigar os regimes de escoamento bifsico em condies de
operao. Mtodos de controle de poo tambm foram validados.
ROMMETVEIT et a1 [13] realizaram testes em escala real de kicks
de gs para estudo do comportamento do influxo, assim como das
presses, no poo horizontal de alta presso. Foi utilizado tubo de ao
de 200 m de comprimento para simular o poo horizontal.
LEACH e QUENTIN [14] comprovam que o mtodo volumtrico esttico
funciona corretamente, porm simulaes computacionais foram
realizadas (utilizando vlvula de choke ideal), sem comprovao em
teste prtico. VAN SLYKE e HUANG [15] apresentam urna nova abordagem
para deteco de kick de gs em lama base leo utilizando um modelo
computacional iterativo baseado em modelo desenvolvido para lama
base gua.
JOHNSON et a1 [16] verifica os vrios fatores que influenciam na
velocidade de ascenso do kick de gs, atravs de testes
experimentais. Uma grande concentrao de gs subir rapidamente,
deixando um rastro de pequenas bolhas que ficam paradas - causada
pela tenso superficial da lama.
-
TARVIN et a1 [17] realizaram testes experimentais e simulaes
para verificar que a velocidade de subida do influxo de gs adotado
pela indstria no est de acordo com a realidade, ou seja, o gs tende
a subir a uma velocidade maior que a assumida pelo sondador.
3. I Comportamento do gs no poo Antes de qualquer ao no sentido
de realizar a retirada do influxo do interior do
poo, necessrio conhecer detalhadamente qual o seu comportamento
quando dentro do poo.
Caso o fluido invasor seja algum lquido (leo ou gua) proveniente
do reservatrio, seu comportamento fcil de ser modelado uma vez que
incompressvel e, desta forma, comporta-se da mesma maneira que o
fluido de perfurao. Neste caso no existem maiores dificuldades em
sua retirada.
Caso o fluido invasor seja compressvel (gs), seu comportamento
bem diferente e mais complexo, uma vez que tende a se expandir
enquanto se desloca em direo a superfcie. Alm disso, inflamvel e
apresenta o risco de exploso se conseguir atingir a sonda de
perfurao (o leo tambm inflamvel, porm possui maior ponto de ignio).
Por ser o caso mais complexo e perigoso, o kick de gs o objeto de
estudo neste trabalho.
3.1.1 Migrao do gs com poo fechado O comportamento de um kick de
gs num poo fechado se baseia na lei dos gases
reais, Equao 3- 1 :
P a presso absoluta do gs; V o volume do gs; Z o fator de
compressibilidade do gs; T a temperatura absoluta do gs; O ndice 1
refere-se a um instante anterior e o ndice 2, a um instante
posterior.
A hiptese mais simples, porm bastante ilustrativa, a que
considera a lama incompressvel e o poo fechado rgido, ou seja,
despreza-se a variao do volume do poo. Conseqentemente, o volume do
influxo se mantm constante, considerando que
-
a temperatura no muda significativamente (processo isotrmico) e
que o gs ideal (Z=l). Ento, pela Equao 3-1, a presso do gs deve
permanecer constante.
Por possuir uma densidade muito inferior a lama, o influxo de gs
tende a subir por efeito gravitacional. Conforme o gs migra em
direo a superficie, considerando que seu volume no muda,
desprezando a variao de temperatura e, ainda adotando o modelo de
bolha nica, as presses do topo e da base da bolha de gs no
mudam.
Conforme pode ser visto na Figura 3-1, no primeiro instante, aps
o trmino da entrada de gs no poo a presso no fundo do poo (Pl)
corresponde ao valor da presso de poros da formao. No segundo
instante, a presso da base do gs (Pb) continua igual a presso de
poros, e P1 possui um valor maior que ele, pois deve ser
acrescentado a este o valor da presso hidrosttica causada pela
coluna de fluido abaixo do gs.
Figura 3-1 - Migrao de gs com o poo fechado
Logo, o poo foi sobrepressurizado e um aumento de presso desse
nvel pode romper a formao rochosa exposta mais fraca. Isso
demonstra que no se pode deixar simplesmente um poo fechado quando
da migrao do kick.
3.1.2 Migrao do gs com poo aberto Caso o poo seja mantido aberto
durante o influxo de gs, a presso no fundo do
poo ser cada vez menor que a presso de poros devido a diminuio
da presso ludrosttica no fundo causada pela expanso do gs conforme
sobe em direo a superfcie, conforme Figura 3-2. Isso implicar na
entrada de mais gs no poo.
Assim, o diferencial de presso no fundo do poo aumentar e causar
um aumento na produo de fluido da formao, acarretando um crculo
vicioso que rapidamente evoluir para um blowout, o que novamente
enfatiza a necessidade de se fechar o poo o mais rapidamente
possvel caso um kick seja detectado.
-
Figura 3-2 - Migrao de gs com o poo aberto
3.2 Fundamentos tericos de controle de poo Devido as dimenses do
poo em relao ao reservatrio, este considerado como
um meio infinito, cujas propriedades no variam durante a
perfurao do poo. O declnio de produo do reservatrio se daria ao
longo de sua vida til, quando suficiente volume de hidrocarbonetos
for drenado (com reduo da presso de poros) evidenciando o estado de
depleo. Durante a ocorrncia de um kick, considera-se que o poo
representa um volume de controle e o reservatrio, uma fonte
infinita de massa.
Em poos submarinos, lminas d'gua profundas, o equipamento de
segurana de poo (BOP) instalado no fundo do mar, ligado a sonda
flutuante atravs de uma tubulao de grande dimetro (riser). Durante
uma operao de controle de poo, onde o fluido invasor circulado para
fora do poo, uma tubulao de pequeno dimetro (linha de choke
submarina) segue paralela ao riser e conectada imediatamente abaixo
do BOP. Da mesma maneira, uma outra tubulao de igual dimetro (linha
de kill submarina) tambm segue paralela ao riser e conectada
diametralmente oposta a conexo da linha de choke e ligeiramente
abaixo. A Figura 3-3 mostra a disposio destas linhas.
-
Figura 3-3 - Riser e linhas de kill e choke
A linha de choke utilizada como rota de retomo do fluido de
perfurao at a superficie. A linha de kill trabalha como caminho
para injeo de fluido de perfurao no interior do espao anular entre
o revestimento e a coluna de perfurao.
Durante todo o trabalho de perfurao, bem como nas operaes de
controle de influxo, de suma importncia conhecer e manter a presso
no fundo do poo constante e com valor ligeiramente superior a
presso de poros do reservatrio.
Infere-se a presso no fundo do poo atravs da medio de presso nas
linhas de superficie 4 e injeo e retomo (linhas de kill e choke e
no tubo bengala). Uma margem de segurana operacional, ou
sobrepresso, estabelecida durante a remoo do fluido invasor a fim
de evitar um novo influxo.
Esta margem de segurana limitada pela janela operacional
mostrada na Figura 3-4, onde aparecem o gradiente de presso de
fratura da formao do reservatrio e o gradiente de presso de poros
desta mesma formao em funo da profundidade
Janela operacional i bl Gradiente de pressa0 (psi) b
Leito do mr
a
, PTYS~O de f i a m da formapo
'Presso de poms da formapo
Figura 3-4 - Janela operacional entre presso de poros e de
presso de fratura 161
-
Conforme a lmina d'gua aumenta, mais prximas ficam as linhas de
presso de poros e fratura, e conseqentemente menor a janela
operacional disponvel para trabalho na perfurao, exigindo um
controle mais acurado e sofisticado. Em casos onde no seja possvel
trabalhar dentro desta faixa, devem ser adotados procedimentos mais
complexos (perfurao com gradiente duplo, perfurao sub-balanceada,
etc).
Conforme pode ser observado nas figuras a seguir, o circuito
hidrulico do fluido de perfurao durante a operao normal de perfurao
e durante a operao de controle de kick so ligeiramente
diferentes.
Figura 3-5 -Circuito hidrulico durante perfurao
Na perfurao a presso no fundo do poo garantida pela presso
hidrosttica exercida pelo fluido de perfurao (Figura 3-5). Desta
forma, sabendo-se a densidade do fluido e a profundidade do poo, a
presso no fundo conhecida.
-
Bomba Tmaue de lama 1 de lama
Figura 3-6 - Circuito hidrulico durante controle de kick
Na operao de controle de kick, esta premissa j no vlida. Como
existe neste caso uma certa quantidade de gs no interior do poo, de
densidade desconhecida, a presso hidrosttica resultante no fundo do
poo (no instante de deteco do influxo de gs) desconhecida (Figura
3-6).
O conhecimento das perdas de carga das linhas de kill e choke e
do circuito de circulao de lama durante o controle de kick
fundamental para se avaliar a presso no fundo do poo. Com este
intuito, regularmente durante a perfurao efetua-se a medio da perda
de carga do sistema com uma vazo reduzida, que a utilizada ao longo
do controle do influxo. Esta vazo menor que a utilizada durante a
perfurao para reduzir as perdas de carga no sistema (principalmente
na linha de choke) - o que previne altas presses no poo - e evitar
uma subida do gs muito rpida.
A rigor, no preciso conhecer exatamente o valor numrico da
presso no fundo do poo e sim se esta presso menor, maior ou igual
ao valor da presso de poros do reservatrio - valor este que pode
ser conhecido ou no.
Para evitar o blowout e recuperar o controle da operao de
perfurao, o poo fechado atravs do acionamento do BOP de modo que a
presso no interior do poo
-
aumente devido a migrao gravitacional do gs sem (ou com pequena)
expanso volurntrica e tambm pela adio de massa ao sistema. Este
aumento de presso pode ser acompanhado atravs dos manmetros de
superficie (no tubo bengala e no choke). Em um certo momento, o
escoamento do gs do reservatrio cessar devido ao incremento de
presso no poo que equilibra a presso de poros. Ou seja, neste exato
instante a presso no fundo do poo atinge um valor idntico a presso
de poros do reservatrio. Neste momento, os valores lidos nos
manmetros na superfcie so fundamentais para a aplicao do
procedimento de retirada do influxo:
No tubo bengala lido o valor da SIDPP (Shut In Drill P p e
Pressure - Presso de Fechamento na Coluna de Perfurao); Na linha de
choke lido o valor da SICP (Shut In Casing Pressure - Presso de
Fechamento no Revestimento).
r
Tempo
Figura 3-7 - Determinao de SICP e SIDPP
A maneira de detectar na sonda que este ponto foi atingido
atravs do acompanhamento do crescimento das presses nesses
indicadores. Enquanto a subida das presses ocorre de maneira
monotnica, a entrada de gs no poo no foi encerrada. Assim que
atingido o equilbrio, ocorre uma momentnea estabilizao das presses
elou mudana na taxa de crescimento delas. Os valores de SICP e
SIDPP sero aqueles lidos imediatamente antes desta variao de
comportamento (Figura 3-7).
A partir deste ponto, pode-se iniciar o procedimento de combate
ao kick mais adequado a cada situao encontrada. Todos eles
baseiam-se na manuteno da presso no fundo do poo constante durante
todo o processo de retirada do influxo. A seguir so explanados os
mtodos j adotados na indstria.
-
3.3 Mtodo do sondador um mtodo utilizado quando possvel circular
fluido de perfurao pelo poo. Este mtodo consiste de duas etapas
(circulaes), tendo como princpio
fundamental a manuteno da presso do fundo do poo (Bottom Hole
Pressure - BHP) constante. Durante toda a operao, esta presso ter o
valor igual a da formao que gerou o influxo acrescido de uma margem
de segurana.
3.3.1 Primeira circulao
Figura 3-8 - Mtodo do Sondador: Primeira circulao
Na primeira etapa ou primeira circulao (Figura 3-8) realizada a
expulso do fluido invasor com a utilizao do fluido de perfurao
original. Esta circulao feita atravs da coluna de perfurao,
passando pelo BOP submarino e retomando pela linha de choke
submarina, usando a vazo reduzida.
3.3.2 Segunda circulao Aps a retirada do fluido invasor do poo,
o problema no est ainda resolvido:
enquanto houver a circulao de lama, o poo estar em equilbrio
dinmico, ou seja, com a presso no fundo do poo igual a da formao
produtora devido a perda de carga existente no anular + linha de
choke. Nesta situao, se o bombeio for interrompido ocorrer novo
kick, pois a presso do fundo cair a nvel inferior a presso da
formao (caso o influxo original no tenha sido causado por pistoneio
ou uma reduo indevida da densidade da lama).
-
Neste caso, necessria uma segunda circulao.Assim, j sem a
presena de fluido invasor no poo, efetuada a substituio do fluido
original pelo novo fluido de perfurao com densidade modificada
(aumentada) para "matar" o poo (Figura 3-9).
d a -
choke ----E9
Figura 3-9 - Mtodo do Sondador: Segunda circulao
3.3.3 Pontos crticos Deve-se prestar ateno durante a execuo
deste mtodo no instante em que o topo
do gs atinge a linha de choke. Neste momento, a linha de choke
ser preenchida praticamente por gs apenas - substituindo a coluna
de lquido a existente - o que acarreta queda brusca da presso
hdrosttica no fundo do poo, exigindo rpida resposta no acionamento
da vlvula de choke no sentido de fecha-la e compensar esta queda de
presso para evitar novo influxo.
O problema inverso ocorre quando a base do gs atinge a linha de
choke. Neste momento, a linha de choke voltar a ser preenchida por
lquido - substituindo a coluna de gs a existente - o que acarreta
aumento da presso hidrosttica no fundo do poo, exigindo rpida
resposta no acionamento da vlvula de choke no sentido de abr-la e
compensar esta subida de presso para evitar fratura da formao mais
frgil exposta no poo aberto.
3.4 Mtodos volumtricos Os mtodos volumtricos so aplicados quando
no possvel executar a circulao
do fluido de perfurao atravs da broca. Problemas como broca
entupida, coluna partida, bombas defeituosas, etc, podem acarretar
tal necessidade.
-
Nestas situaes, quando se consegue utilizar a bomba de lama para
circular atravs da linha de kill e retomar pela linha de choke,
pode ser implementado o Mtodo Volumtrico Dinmico.
O controle feito atuando-se na vlvula de choke de modo a
aumentar a presso na superfcie para compensar a perda de presso
hidrosttica da lama no poo devido a expanso do gs, com o intuito de
manter a presso no fundo do poo constante. O acompanhamento do
deslocamento do gs ao longo do poo se d atravs da monitorao do
volume do tanque de lama da sonda de perfurao.
3.5 Mtodo volumtrico esttico um mtodo utilizado quando no
possvel circular fluido de perfurao pelo
poo. Esta situao pode ser atingida caso a bomba de lama
apresente defeito, por exemplo.
utilizado apenas nos casos em que o BOP est instalado (na
superfcie em poos terrestres ou no fundo do mar em poos
submarinos).
Este mtodo consiste de duas etapas: a migrao do influxo at a
superfcie e a retirada do influxo.
3.5.1 Primeira etapa
Figura 3-10 -Mtodo Volurntrico Esttico: Migrao do gs
A primeira etapa tem como princpio fundamental permitir a migrao
do influxo sob expanso controlada at que atinja a superfcie (Figura
3-10). Esta expanso controlada obtida pela drenagem de fluido de
perfurao na superfcie pelo choke. Nesta fase, a presso do fundo do
poo (BHP) mantida aproximadamente constante enquanto a presso no
choke aumenta. Durante toda a operao, a presso no fundo ter
-
o valor igual a da formao que gerou o influxo acrescido de uma
margem de segurana que varia ao longo do processo de 100 a 150 psi.
J no choke, a presso aumentar em passos de 50 psi.
Antes de iniciar o procedimento de controle do poo, deve-se
calcular o volume de lama que gere uma presso hidrosttica (dentro
do poo) de 50 psi. Tal valor obtido atravs da Equao 3-2:
onde: V o volume de lama a ser drenado, em bbl; C a capacidade
do poo (caso o poo esteja sem coluna) ou do anular (caso a coluna
esteja no poo), em bbllm; p a densidade da lama, em lblgal.
O procedimento do mtodo volumtrico esttico descrito abaixo: 1.
Aps o fechamento do poo, aguarda-se o aumento da presso no poo
(devido a migrao do gs) de 150 psi como margem de segurana; 2.
Drena-se o volume de lama equivalente a uma presso de 50 psi; 3.
Aguarda-se o gs migrar novamente at que a presso suba 50 psi; 4.
Drena-se o volume de lama novamente; 5. Aguarda-se que a presso
suba 50 psi; 6. Repete-se o ciclo at que o gs atinja a superfcie (o
gs no migrar mais).
A Figura 3-1 1 mostra o comportamento da presso no poo ao longo
da primeira etapa:
I O 5 10 15 20 tempo 250 -
o
- - -
Figura 3-11 - Mtodo Volumtrico Esttico: presses na Iaetapa
--+- RessCio da formao -A- Resso no choke
4 I I
-
3.5.2 Segunda etapa
Figura 3-12 - Mtodo Volumtrico Esttico: Top kill
A segunda etapa, conhecida como top kill, consiste na injeo de
fluido de perfurao novo com maior densidade pela linha de matar
(kill line) e drenagem do influxo pelo choke (Figura 3-12).
Esta injeo se d da mesma forma utilizada durante a primeira
etapa, ou seja, injetando-se a cada ciclo um volume que provoque
uma hidrosttica de 50 psi, de acordo com a Equao 3-2.
O procedimento top kill descrito abaixo: 1. Aps o influxo
atingir a superfcie, drena-se gs at que a presso no poo
caia 50 psi; 2. Injeta-se o volume de lama nova equivalente a
uma presso de 50 psi; 3. Repete-se o ciclo at que todo o gs seja
retirado do poo.
A Figura 3-13 mostra o comportamento da presso no poo ao longo
da primeira etapa:
-
500 + Resso no fundo
O 5 1 O 15 20 tem po
250 -
Figura 3-13 - Mtodo Volumtrico Esttico: presses na luetapa
-L- Resso da formao -&- Resso no choke
3.6 Mtodos propostos
o 7
Como j visto anteriormente, nos casos ditos especiais os mtodos
convencionais no se aplicam ou no possuem grande eficincia na
retirada do influxo. necessrio, ento, a procura por novos
procedimentos que melhor se adaptem a estas situaes.
Estes novos mtodos so obtidos a partir dos procedimentos j
conhecidos dos mtodos convencionais de controle de poo, onde
algumas modificaes so propostas com a inteno de aumentar sua
eficincia, corrigir possveis problemas que comumente ocorrem
durante sua aplicao na prtica ou simplesmente adequ-los as situaes
especiais durante a operao de perfurao.
Para cada cenrio de estudo apresentado um mtodo novo
(no-convencional).
3.6.1 Poo sem coluna: mtodo volumtrico dinmico um mtodo
utilizado quando no possvel circular fluido de perfurao atravs
da coluna de perfurao. Este mtodo consiste em circular o fluido
de perfurao original pela linha de kill, BOP submarino e retomar
pela linha de choke enquanto o influxo migra para a superfcie
devido a segregao gravitacional (Figura 3-14).
Em geral, aps o influxo atingir a superfcie e ser retirado o poo
est morto (com o controle restabelecido), pois o kick quase sempre
induzido durante a retirada da coluna.
Quando a causa do kick outra, a lama original no mata o poo.
Neste caso, substitui-se o fluido original do riser, e nas linhas
de kill e de choke por um fluido novo com maior densidade para que
possa matar o poo.
-
Figura 3-14 - Mtodo volumtrico dinmico
O grfico de acompanhamento construdo atravs da Equao 3-3 [I],
calculando- se a variao da presso no fundo do poo a partir da
variao do volume no tanque:
onde: dPh a variao da presso no fundo do poo, em psi; AV a
variao de volume no tanque de lama, em bbl;
a capacidade volumtrica do espao anular do poo, em bbllm. A
capacidade volurntrica do espao anular calculada atravs da Equao
3-4 [I]:
C,,,a, = 0.003 187 x (D: - D: ) 3-4 onde:
Dc o dimetro interno do revestimento, em polegadas; Dt o dimetro
externo da coluna de perfurao, em polegadas.
3.6.2 Broca acima do fundo: mtodo volumtrico dinmico, circulando
pela broca
Para a situao em que o kick detectado com a broca acima do fundo
do poo, este mtodo consiste em circular o fluido de perfurao
original pela coluna de perfurao, BOP de superfcie e retomar pela
linha de choke enquanto o influxo migra para a superfcie devido a
segregao gravitacional (Figura 3-15).
Em geral, aps o influxo atingir a superficie e ser retirado o
poo est morto (com o controle restabelecido), pois o kick quase
sempre induzido durante a retirada da coluna.
-
Quando a causa do kick outra, a lama original no mata o poo.
Neste caso, substitui-se o fluido original do riser, e nas linhas
de kill e de choke por um fluido novo com maior densidade para que
possa matar o poo.
kick
Figura 3-15 - Mtodo volumtrico dinmico, circulando atravs da
broca
3.6.3 Poo submarino: mtodo do sondador injetando simultaneamente
pela linha de kill e coluna de perfurao, retornando pela linha de
choke
Este mtodo similar ao mtodo do sondador convencional, com a
seguinte diferena: a injeo da lama de perfurao se realiza tanto
pela linha de kill submarina como pela coluna de perfurao e o
retorno somente pela linha de choke (Figura 3-16).
Nesta configurao, trabalha-se com o intuito de manter uma
concentrao de gs mais uniforme na linha de retorno de modo a
evitar, desta maneira, uma variao na presso hidrosttica do espao
anular quando o gs entra na linha de choke.
-
d d pipe =----I
Figura Injeo pela linha de kill e pela coluna
simultaneamente
-
4 0 Poo-Laboratrio O Poo Laboratrio da Petrobrs est localizado
no Centro de Treinamento do E&P
em Taquipe - Bahia. Nele so realizados experimentos em escala
real com as mais variadas intenes: desde teste de prottipos de
novos equipamentos e avaliao de novos fluidos de perfurao at o
teste de procedimentos especiais de controle de poo em situaes
crticas.
Figura 4-1 - Vista area da sonda SC-72 do Poo-Laboratrio de
Taquipe - BA
4.1 Sistema de aquisio de dados O Sistema de aquisio de dados
consiste no sofhvare de controle do Poo
Laboratrio (DAC System) denominado Laboratoy Well, no hardware
necessrio para controle a aquisio dos dados (controladores, placas,
etc.) e nos transdutores que registram as variveis desejadas dos
experimentos (presso, temperatura, vazo, etc.).
-
4.1.1 Software Este programa foi desenvolvido utilizando-se como
plataforma de programao o
software comercial LabView (National Instruments) e permite
monitorar as presses e temperaturas em vrios pontos, tanto do
interior do poo propriamente dito como em diversos pontos na
superfcie. O sistema capaz tambm de controlar e monitorar o
mecanismo de injeo de ar comprimido para simulao de kick e o de
circulao de fluido de perfurao.
A Figura 4-2 mostra o painel de controle interativo para
superviso das variveis de processo dos experimentos realizados:
variveis de superfcie (presses, temperaturas, vazes, volumes, etc.)
e presses resultantes no fundo do poo.
Tal software apresenta um diagrama simplificado do circuito
hidrulico, visualizao grfica das variveis (em tempo real), gravao
de dados e acionamento remoto de equipamentos (vlvulas e
compressores).
As principais caractersticas do programa so listadas a seguir:
Layout com interface grfica;
Implementao de caractersticas cliente 1 servidor;
Acionamento remoto (manual ou automtico) do choke de gs (simulao
de kick); Acionamento remoto (manual ou automtico) do choke de
controle de poo; Desligamento remoto da bomba de lama;
Alarme sonoro configurvel para monitorao de qualquer varivel do
sistema;
Gravao de todas as variveis em arquivo.
-
,
r
na
Q A I
Figura 4 ~ 2 - Tela do sistema de controle e aquisio de
dados.
4.1.2 Hardware
Computador IndustriaI Pentium 11, 333MHz com sistema operacional
Windows 2000, 128 Mb, HD 3 Gb, CD-RW, monitor SVGA 21" e interface
grfica de alta resoluo;
Condicionador de sinais SCXI - National Instruments, composto
de: 3 cartes amplificadores com ganhos ajustveis e barreira de
segurana intrnsecas com capacidade para 8 canais em modo
diferencial ou 16 canais em modo comum, para a aquisio de entrada
dos 24 canais em loop de corrente de 4-20 mA dos sensores
(temperatura, presso, vazo e nvel);
1 carto com 4 conversores digitaislanalgicos para controle de
vlvulas com atuador eletro-pneumtico de 4-20 mA, utilizado somente
um canal para controle do suprimento do ar comprimido;
1 carto com 4 sadas em micro-relay para acionamento de bombas.
Carto multifuno MIO - 16E1 com capacidade para 8. canais em modo
diferencial, 1 conversor DIA, 8 sadas digitais modo-enderevel
para
-
controle, 3 contadores programveis. So utilizados como interface
entre o computador e o condicionador de sinais SCXI alm, da
utilizao dos 3 contadores, um utilizado para contagem de strokes, e
os outros dois utilizados em cascata para contagem de strokes por
minuto (spm).
As vlvulas de controle (choke injeo de ar comprimido, choke de
controle de poo, sada de lquido do separador bifsico e sada de gs
do separador bifsico) operam acionadas por um controlador cada uma,
com faixa de 4 a 20 rnA. Tais controladores so comandados pelo DAC
System.
4.2 Layout do poo Na Figura 4-3 mostrado um diagrama
instrurnentao.
Packer @ 733m
Kill l h e @ 741 m (OD = 2 318'' / ID = 1.995")
Shallow gas @ 857 m (OD = 1'' / ID = 0.85'3
Gas kick @ 1250 m (OD = 1" / ID = 0.85")
esquemtico do poo, com a sua
P4 @ 486 m
Choke line @ 734 m (OD = 2 318" / ID = 1.995'3
P3 @ 735 m
P1 @ 1238 m 1265 m (Casing - OD = 7" / ID = 6.184")
Figura 4-3 - Layout do Poo
Trata-se de um poo externo de 13.318" com 13 15 m de
profundidade? cimentado at a superfcie. Interno a este foi descido
um revestimento de 7" com 1292 m, ancorado na superfcie, que o poo
experimental propriamente dito.
Pelo anular externo ao revestimento de 7" foram passados os
cabos de instrurnentao, as linhas de injeo de gs [uma linha at o
fundo do poo (Fl) e outra
-
linha at a profundidade de 857 m (F2)] e linhas de simulao de
operaes martimas a 744,5 m (simula BOP submarino em lmina d'gua
equivalente a esta).
Na Tabela 4-1 pode-se observar a composio da coluna de perfurao
para os testes com a configurao submarina.
Tabela 4-1 - Composio da coluna de perfurao
Item Comprimento Dimetro externo
Tubo de perfurao 1 73 1 ,O I 2,764 I 3 54 I Packer I 2,5 I 2,406
I - 1 Tubo de perfurao 1 43 1 ,O I 2,764 I 3 54 1 Tubo pesado I
72,5 1 2 ?4 I 4 % I
Broca
4.2.1 Sensores de fundo O monitoramento do fundo do poo
realizado por sete sensores capacitivos que
medem presso e temperatura em tempo real, fornecendo sinal em
freqncia para temperatura e presso de forma que, aplicado aos
clculos e correes, se obtm valores de presso e temperatura nas
faixas de O a 100 "C e presses de O a 5000 psi.
O controle de chaveamento para comutao entre o sensor de
temperatura e presso feito atravs da modulao na alimentao dos
sensores. Todas as comunicaes para aquisio e controle so feitas por
2 (duas) interfaces GRC-503 com capacidade para 4 sensores cada,
alm da utilizao de um driver de comunicao para Windows que controla
o carto de comunicao paralela do GRC-503. Todos os sensores possuem
erro mximo de leitura na faixa de 2 a 5%.
O posicionarnento de cada um deles indicado na Tabela 4-2 (ver
Figura 4-3)
-
Tabela 4-2 - Disposio dos sensores de fundo
1 Sensores / Profundidade (m) I
Sensores do revestimento
I
/ Sensor da linha de kill I 246 I 4.3 Layout de superfcie
Na Figura 4-4 mostrado um diagrama esquemtico do sistema de
superfcie, incluindo o sistema de simulao de influxo (parcial), o
choke manifold de controle de poo e o sistema de circulao de fluido
de perfurao (bomba de lama, os 4 tanques de iama e tanque de-
manobra). So indicadas tambm as pos&es dos sensores de presso
(PT), temperatura (TT) e vazo (Vortex).
Na Tabela 4-3 so mostrados os componentes do circuito hidrulico
de superficie e suas dimenses
Tabela 4-3 - Circuito hidrulico de superfcie
Linha de kill de superficie (da bomba de lama at o manifold de
cabea de poo)
Tubo Linha de injeo (da bomba de lama at o standppe + drilling
house + swivel)
I Linha de choke de superficie
Dimenses
4"x58m
I (da cabea do poo at o manifold de controle de poo) I Linha do
manifold de controle de poo para o separador 1 3"x34m
4.3.1 Sensores de superfcie
Os sensores de superfcie (sensores de temperatura, presso, vazo
e nvel de lquido) utilizam protocolo de comunicao HART-420mA
funcionando desta forma em loop de corrente, todos com barreira de
proteo intrnseca e a prova de exploso.
-
Os sensores de presso e temperatura esto instalados a montante
do tubo bengala, na linha de matar (Kill line), na linha de
estrangulamento (Choke line) e no manifold de simulao de influxo
(injeo de ar comprimido).
Os tanques de lama (quatro tanques de 100 bbl cada) esto
equipados com sensores de nvel, os quais fornecem os volumes
instantneos de cada tanque.
A velocidade de ciclo dos pistes da bomba de lama lida por um
sensor de proximidade e transmitida para o sistema de aquisio de
dados, em tempo real, assim como as leituras de todos os outros
instrumentos. Tal medida fornece a vazo de injeo de lquido. Todos
os sensores possuem erro mximo de leitura na faixa de 2 a 5%.
Na Figura 4-4 so indicadas as posies dos sensores de
superficie.
LAY - OUT FLUXOGRAMA GERAL DE SUPERFkIE
Figura 4-4 - Layout geral do sistema de superfcie
-
5 Testes experimentais A realizao dos testes experimentais tem
por objetivo avaliar a adequao dos
mtodos propostos de controle de poo para os cenrios mais
crticos, bem como comparar com os procedimentos j utilizados,
principalmente em lmina d'gua elevada.
Neste sentido, foi avaliado o comportamento das presses e
temperaturas ao longo de todo o interior do poo, bem como em vrios
pontos na superficie, durante a realizao dos testes experimentais,
cujo fluido utilizado foi a lama base gua com alta viscosidade.
Nesta bateria de testes, trs cenrios foram definidos para
simular as diferentes situaes possveis durante a operao de perfurao
em uma sonda onshore ou offshore. A Tabela 5-1 mostra cada um dos
cenrios.
Tabela 5-1 - Cenrios a serem testados
Configurao terrestre, poo de 1250 m
Configurao submarina, lmina d'gua de 733 m
1. Poo sem coluna, BOP fechado pela gaveta cega.
1 1.1 1 Mtodo volumtrico esttico
2. Broca posicionada a 490 m, BOP fechado pela gaveta
vazada.
LI 1.2 m =
3. Broca no fundo do poo, BOP fechado pela gaveta vazada.
Mtodo volumtrico dinmico
2.2
2.1
Mtodo volumtrico dinmico, circulando pela broca
Mtodo volumtrico esttico + mtodo do sondador
Mtodo do sondador Mtodo do sondador injetando simultaneamente
pela linha de kill e pela coluna, retorno pela linha de choke
Mtodo volumtrico dinmico LI 3.1
3.2
3.3
-
5.1 Procedimentos de realizao de experimentos Inicialmente, o
poo e as linhas de superfcie foram totalmente preenchidos com
lquido. Vlvula de controle de nvel de lquido no separador foi
fechada, preservando o selo hidrulico no vaso separador
bifsico.
Durante a injeo de ar no poo, visto que o packer est selando o
espao anular entre a coluna de perfurao (3 ?h") e o revestimento
(T), o lquido deslocado desviado para o vaso separador atravs das
linhas de choke "submarina" e de superficie, passando pelo choke
manfold de controle de poo, inicialmente aberto.
O poo abastecido com lquido acima da posio do packer, deixando o
BOP aberto. Assim, qualquer sinal de vazamento no packer a partir
da pressurizao do poo evidenciado com escoamento de lquido atravs
do bell nple, caindo na peneira pela calha.
Utiliza-se um mesmo tanque para admisso e retorno de lquido -
circuito fechado. A Equao 5-1 foi utilizada a fim de calcular a
presso de
induzir influxo de ar no poo, sobrepujando a presso exercida
[18]:
injeo requerida para pela coluna de lquido
onde: P,,,,fi.ie a presso de injeo na superfcie, em psi; Pfundo
a presso no ponto de injeo, em psi; h a profundidade do ponto de
injeo, em ft.
A presso hidrosttica a 1250 m de profundidade, ponto de injeo de
ar, dada pela Equao 5-2 [I]:
P = O . l 7 x p x h
onde: P a presso hidrosttica no fundo do poo, em psi; p a massa
especfica do fluido utilizado, em ppg; h a altura da coluna de
lquido, 1250 m.
5.1 .I Simulao de Kick de Gs Cilindros de ar comprimido
alimentam continuamente a linha de injeo de ar, cuja
presso regulada atravs de urna vlvula estranguladora. Esta
vlvula abre
-
gradualmente para manter constante a presso de injeo de ar,
compensando o acrscimo de consumo de ar pelo poo devido ao aumento
do diferencial de presso no ponto de injeo. Uma vez fechado o poo,
a vlvula estranguladora de injeo de ar fechada gradativamente a
medida que o poo absorve uma quantidade cada vez menor de fluido,
restringindo o influxo at que o medidor de vazo de injeo de ar
registra valor nulo.
Para simulao de influxo de gs no poo em cada teste, as seguintes
etapas foram cumpridas:
1. Injeo de ar no fundo do poo (1250 m, presso hdrosttica = 1800
psi) a presso constante (1700 psi na superficie) deslocando lquido
rumo ao separador e deste para o tanque. A presso no fundo do poo
decai com a reduo do peso da coluna hdrosttica, motivada pela
migrao e expanso do gs em direo a superfkie. Alm disso, a proporo
que aumenta o diferencial de presso no ponto de injeo, a vazo de
influxo de ar tambm cresce acentuadamente, assim como a vazo de
sada de lquido.
2. Detectado um ganho de determinado volume (4 bbl para
configurao submarina e 8 bbl para configurao terrestre) no tanque,
o poo fechado atravs da vlvula de choke no manfold de controle de
poo.
3. A presso de injeo de ar mantida constante, simulando o
comportamento de um reservatrio de gs. Com o fechamento do poo, a
diferena entre a presso no fundo do poo e a presso no ponto de
injeo de ar tende a decrescer. Isto ocorre devido a pressurizao dos
fluidos do poo, motivado por dois fatores:
a) Acmulo de massa no sistema, b) Ascenso do gs invasor.
4. Em decorrncia, a vazo de influxo diminui at chegar a zero,
instante em que a presso no fundo do poo iguala-se a presso do
"reservatrio".
5. Altera-se a tendncia da curva de presso na linha de retomo,
estabelecendo- se um patamar (estabilizao momentnea) ou mudana da
velocidade de subida (a variao passa a ser linear). Neste instante
so obtidas SICP e SIDPP.
6. Posteriormente, d-se incio ao processo de remoo do fluido
invasor, com procedimentos especficos para cada mtodo de combate a
kick.
-
Evidentemente, para evitar novo influxo de ar, a presso no fundo
do poo deve ser superior a presso do "reservatrio", acrescida de
uma margem de segurana operacional. Uma vlvula de reteno instalada
na linha de injeo de ar impede refluxo.
5.2 Fluido de perfurao O fluida utilizado nos testes
experimentais era base gua, basicamente uma mistura
de bentonita, gua e alguns aditivos para definir a sua
viscosidade, estabilidade e acidez. Em cada experimento, foi medida
a viscosidade Marsh e verificados os parmetros
reolgicos com um viscosmetro rotativo de Fanh. Quando tais
grandezas fugiam da faixa aceitvel (1 0% para mais ou para menos),
a lama era tratada.
A seguir, na Tabela 5-2, so apresentados os valores mdios
obtidos nas medies ds testes.
Tabela 5-2 - Propriedades do fluido de perfurao
I Viscosidade Marsh I Leituras do viscosmetro /
A partir destes dados, podemos definir qual o modelo reolgico
que melhor r e p ~ s e n t a * ~ eomportamnto deste fluido.
Basicamente, utiliza-se quatro modelas principais [19] :
1. Modelo Newtoniano; 2. Modelo Binghamiano; 3. Modelo de
Potncia; 4. Modelo de Potncia Modificado.
-
5.2.1 Modelo Newtoniano
Um fluido definido como newtoniano quando durante o escoamento
laminar este possui relao entre a tenso cisalhante e taxe de
cisalhamento constante. Esta razo denominada viscosidade e s varia
em funo da temperatura e presso.
Matematicamente, os fluido newtonianos so definidos pela
Equao5-3:
' r = p . y
Onde: z tenso cisalhante, em lbf/100ft2; p a viscosidade, em cP;
y a taxa de cisalhamento. A caracterstica principal dos fluidos
newtonianos o comportamento linear da taxa de cisalharnento em funo
da tenso cisalhante, conforme mostrado na Figura 5-1:
Figura 5-1 - Comportamento de fluido newtoniano
5.2.2 Modelos no-Newtonianos
Um fluido definido como no-newtoniano quando no possui, durante
o escoamento laminar, relao constante entre a tenso cisalhante e
taxe de cisalhamento. Esta razo denominada viscosidade e no varia
em funo somente da temperatura e presso. Matematicamente, os fluido
no-newtonianos so definidos pela Equao5-4 :
Onde: z tenso cisalhante, em lbf/lOOftz;; pa a viscosidade
aparente, ou seja, a viscosidade que o fluido teria se fosse
newtoniano, em cP; y a taxa de cisalhamento.
-
Dentre os modelos no-newtonianos, existem vrios modelos, alguns
deles definidos a seguir:
5.2.3 Modelo Binghamiano
No modelo de Bingham (ou plstico ideal), requer a aplicao de uma
tenso cisalhante mnima (zL - limite de escoamento) para que ocorra
alguma deformao cisalhante. Quando so submetidos a uma tenso
superior a TL, o fluido binghamiano comporta-se como um slido, s
escoando na forma de fluxo tampo.
Matematicamente, os fluido binghamianos so definidos pela
Equao5-5:
z=p , .y+z , para z > r, y=O para z 2 z,
Onde: z tenso cisalhante, em lbfllOOftZ;; pp a viscosidade
plstica, em cP; y a taxa de cisalhamento; ZL O limite de
escoamento, em lbf/lOOftz;. A expresso para a viscosidade aparente
definida pela Equao 5-6:
Onde: a viscosidade aparente, em cP;
pp a viscosidade plstica, em cP; y a taxa de cisalhamento; ZL O
limite de escoamento, em lbf/100ft2;. O comportamento do fluido
binghamiano de forma grfica mostrado na Figura 5-2.
I , , I taxa de cisalhamento
4 , , , , , , , , , , , , , , , , , , I taxa de cisalhamento
Figura 5-2 - Comportamento de fluido binghamiano
-
5.2.4 Modelo de Potncia
No modelo de Potncia, no representa todo e qualquer fluido, nem
a todo intervalo de taxa de cisalhamento. Porm, aplica-se a um
nmero razovel de flidos no- newtonianos num largo intervalo de
velocidades cisalhantes.
Matematicamente, os fluidos de potncia so definidos pela Equao
5-7:
z = K (y)" Onde: z tenso cisalhante, em lbf/lOOfP;; K o ndice de
consistncia, em lbf.sn/lOOftz; y a taxa de cisalhamento; n o ndice
de comportamento. A expresso para a viscosidade aparente definida
pela Equao 5-8:
pa = K . (y)n- l Onde:
a viscosidade aparente, em cP; K o ndice de consistncia, em
lbf.sn/100ft2; y a taxa de cisalhamento; n o ndice de
comportamento. O comportamento do fluido de potncia de forma
grfica, em escala log-log,
mostrado na Figura 5-3.
taxa de cisalhamento
Figura 5-3 - Comportamento de fluido de potncia
5.2.5 Modelo de Potncia Modificado
No modelo de Potncia Modificado, difere do modelo anterior por
apresentar um terceiro parmetro reolgico: limite de escoamento.
-
Matematicamente, os fluidos de potncia so definidos pela Equao
5-9:
z = K .(y)" + z, para z > z, y=O para z I z,
Onde: z tenso cisalhante, em lbf/lOOftz;; K o ndice de
consistncia, em lbf. sn/l OOftZ; y a taxa de cisalbi.iento; n o
ndice de comportamento; z, o limite de escoamento, em lbf/lOOftz;.
O comportamento do fluido de potncia de forma grfica, em escala
log-log,
mostrado na Figura 5-4.
s taxa de cisalhamento Figura 5-4 - Comportamento de fluido de
potncia modificado
5.2.6 Caracterizao do fluido de perfurao Com os dados obtidos do
viscosmetro, podemos definir, inicialmente, qual o melhor
modelo que se aplica ao fluido de perfurao usado nos testes
experimentais. A partir do software SimCarr 4.22, desenvolvido no
Cenpes, possvel simular o
escoamento do fluido utilizando cada um dos modelos de
escoamento no-newtoniano acima descritos.
Utilizando os dados da Tabela 5-2 obtm-se o modelo mais adequado
e os parmetros reoigicos da iama:
-
Tabela 5-3 - Modelos e parmetros reolgicos do fluido
utilizado
A partir dos resultados registrados na Tabela 5-3, pode-se
concluir que o modelo mais adequado seria o modelo de potncia, por
apresentar menor desvio padro. Pela anlise efetuada, o modelo de
potncia modificado no seria aplicvel por apresentar valores de
parmetros reolgicos sem significado fsico.
A Tabela 5-4 apresenta, finalmente, as caractersticas principais
do fluido de perfurao utilizado durantes os testes
experimentais:
Tabela 5-4 - Propriedades do fluido utilizado
Modelo
Bingham
Potncia
Potncia I Modificado
I Propriedade I Valor 1 Viscosidade Marsh 50a55 s Modelo
reolgico Potncia
7,068 1 lbf.sn/lOOfP i
Desvio padro
4,77 lbf/100ft2
2,53 lbf/100ft2 I
5,20 lbf/100h2 ,
Parmetros reolgicos
5.3 Cenrio 7: poo sem coluna
ZL
Pp K n
K
n
20
densidade
Este cenrio representa a situao em que, durante a perfurao, a
coluna totalmente retirada para troca de broca, por exemplo.
Os testes so realizados com o BOP fechado com a gaveta cega e o
retorno de lquido se d atravs da linha de choke de superfcie,
passando pela vlvula de choke de controle de poo de acionamento
remoto. A injeo de lquido s pode ser realizada atravs da linha de
kill de superfcie (Figura 5-5).
8,5 lbflgal
18,7 1 17,34
7,068 1 0,2763
0,0075 1,203 8 22,85
lbf/lOOftz CP
lbf.sn/lOOftz
lbf.sn/100ft2
lbf/l OOfiz
-
Figura 5-5 - Cenrio 1: poo sem coluna
5.4 Cenrio 2: broca a 490 m Este cenrio representa a situao em
que, durante a perfurao, a coluna est sendo
retirada para troca de broca, por exemplo, e o kick detectado
durante a manobra. Os testes so realizados com o BOP fechado com a
gaveta vazada e anular e o
retorno de lquido se d atravs da linha de choke de superfcie,
passando pela vlvula de choke de controle de poo de acionamento
remoto. A injeo de lquido pode ser realizada atravs da coluna de
perfurao (drll pzpe) ou pela linha de kill de superfcie (Figura
5-6).
drill pipe
h z b o k e
Figura 5-6 - Cenrio 2: broca acima do fundo do poo
5.5 Cenrio 3: broca no fundo (configurao submarina) Este cenrio
representa a situao normal durante a perfurao de um poo no mar
com lmina d'gua de 740 m. Os testes so realizados com o BOP de
superfcie aberto com a utilizao de um
packer instalado a 740 m, no papel de BOP submarino e o retorno
de lquido se d
-
atravs da linha de choke submarina, passando pela vlvula de
choke de controle de poo de acionamento remoto. A injeo de lquido
pode ser realizada atravs da coluna de perfurao ou pela linha de
kill submarina (Figura 5-7).
Figura 5-7 - Cenrio 3: configurao submarina com broca no
fundo
-
5.6 Movimento do gs no poo
choke
Uma forma interessante de avaliar e comparar mtodos de controle
de poo seria a possibilidade de visualizar a ascenso do gs injetado
no fundo do poo durante a aplicao dos procedimentos. Por se tratar
de um poo em escala real, revestido, no possvel observar a "olho
nu" o que ocorre no seu interior.
Para contornar esta limitao, pode-se detectar a presena de gs em
dado ponto do poo calculando-se a densidade mdia local e
comparando-a com o valor da densidade da lama. Caso este valor mdio
seja menor que a densidade da lama, existe gs neste ponto.
Conhecendo-se a densidade deste gs, possvel tambm estimar a
quantidade de gs neste ponto. Realizando este clculo para vrios
pontos ao longo do poo, pode-se obter um perfil instantneo do gs em
seu interior.
Os sensores instalados no poo esto representados de forma
esquemtica na Figura 5-8. Com a posio de cada sensor conhecida,
trivial calcular a densidade mdia em cada um deles atravs da Equao
5-10:
onde: pi a densidade mdia do fluido de perfurao no ponto i
definido, em ppg; Pi a presso hidrosttica na posio do ponto i
definido, em psi; Pi+l a presso hidrosttica na posio do ponto i+l
definido, em psi; hi a profundidade do ponto i definido, em m;
-
hi+i a profundidade do ponto i+ 1 definido, em m. Como existem
apenas 6 sensores instalados no interior do poo (Figura 5-8),
um
grfico para representar este perfil de densidades ficaria pobre
em resoluo. Pode-se interpolar alguns pontos intermedirios entre
sensores de modo a se obter maior resoluo na plotagem da
densidade.
Pontos de "medipo" de densidade mdia
e
Sensores de presso e temperatura
Figura 5-8 - Posio dos sensores e pontos de interpolao
-
6 Resultados Os resultados dos testes realizados so analisados
graficamente utilizando-se os
dados obtidos em tempo real pelo sistema computadorizado de
aquisio de dados. Para anlise dos resultados gerados foram
definidos pontos crticos ao longo do tempo (indicados nos grficos
com letras maisculas).
Como casos-exemplo, sero descritos detalhadamente os testes para
cada cenrio especfico - configurao submarina, configurao terrestre
sem coluna e configurao terrestre com broca no meio do poo - todos
eles realizados com lama base gua de alta viscosidade como fluido
de perfurao:
6.1. Configurao terrestre sem coluna: o Mtodo Volumtrico Esttico
o Mtodo Volumtrico Dinmico
6.2. Configurao terrestre com broca no meio do poo: o Mtodo
Volumtrico Esttico + Mtodo do Sondador o Mtodo Volumtrico Dinmico,
circulando pela broca
6.3. Configurao submarina com broca no fundo: o Mtodo do
Sondador convencional o Mtodo do Sondador com injeo simultnea
pe