Apostila de Sistemas de Sonda

SISTEMAS DE SONDA

Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro

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ÍNDICE

1. Sistem Sistemaa de Movime Movimenta ntação ção de cargas cargas ........ ............ ....... ....... ........ ........ ....... ....... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 1.1. A Torre e a Subestrutura ........................................... ..................... ............................................ .................................... .............. 1.2. 1.2. Conjun Conjunto to Bloco Bloco / Catari Catarina na ........ ............ ........ ....... ....... ....... ....... ....... ....... ........ ........ ....... ....... ........ ........ ....... ....... ........ ........ ....... ... 1.3. Guincho Guincho ................ ........................ ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................ ................. ................ ................ ......... 2. Sistema Sistema de Rotação Rotação ................. ........................ ............... ................. ................. ................. ................ ................ ................. ................ ............ .... 2.1. Método Método Rotativo Rotativo Convencio Convencional nal ................. ........................ ................ ................ ................ ................ ................ .............. ..... 2.2. Top-drive Top-drive ................. ......................... ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................ ................. ................ ............. ...... 2.3. Motor Motor de Fundo Fundo ............... ....................... ................. ................. ................ ................ ................. .................. ................. ................ ........... ... 3. Sistema de Circulação ........................................... .................... .............................................. ............................................... ........................ 3.1. Tanques Tanques de Lama ................ ........................ ................ ................. ................. ................. ................ ................ ................ ................ ......... 3.2. Bombas Bombas de Lama ................ ........................ ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................ ................ ............ 3.3. Manifold Manifold ................ ........................ ................ ................ ................ ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................ ......... 3.4. Tubo Bengala Bengala / Mangueira Mangueira de Lama ................ ......................... ................ ................ ................. ................ ............. ..... 3.5. Saída de Lama ................ ........................ ................ ................ ................. ................. ................. ................ ................ ................. ............. ..... 3.6. Sistema Sistema de Tratamento Tratamento de Lama ............... ........................ ................. ................ ................ ................. ................. ............


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SISTEMAS DE SONDA

1.

SISTEMA DE MOVIMENTAÇÃO DE CARGAS

A função do sistema de movimentação de cargas é permitir içar ou abaixar colunas de perfuração e de revestimento ou quaisquer outros equipamentos de sub-superfície, para dentro ou fora do poço. Seus principais componentes são a torre e a subestrutura, o conjunto bloco/catarina e o guincho.

1.1.

A Torre e a Subestrutura

A torre provê a altura necessária ao içamento de uma seção de tubos a ser descida ou a ser retirada do poço. As torres mais comuns têm uma altura útil de trabalho na faixa de 40 metros. Como torres podemos designar as torres convencionais e os mastros terrestres ou para perfuração marítima. As torres convencionais são estruturas em treliça que exigem a desmontagem e a montagem das vigas uma a uma. Com isto, conseqüentemente o custo operacional é bastante significativo. Os mastros são estruturas semelhantes às torres, só que montados ou desmontados em seções. Com isto, o tempo de DTM (Desmontagem -Transporte - Montagem) da sonda fica sensivelmente diminuído (fig. 1.0). Além da altura, as torres são também especificadas por sua resistência aos esforços desenvolvidos, pelo peso suspenso no gancho, peso estaleirado na plataforma e ação do vento.


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Como exemplo para dimensionamento de uma torre vamos supor uma carga suspensa máxima (Pmax) correspondente ao peso imerso de uma coluna de revestimento na profundidade limite. Para descer esta coluna de revestimento a coluna de perfuração está toda estaleirada em seções apoiada na parte superior da torre. A torre tem que suportar, enquanto se movimenta livremente a carga Pmax, o momento de tombamento criado pelo peso das seções dos tubos em pé e força do vento. As torres para perfuração marítima são projetadas para resistirem, também, aos esforços dinâmicos que ocorrem durante as operações de reboque das unidades de perfuração.

Fig. 1.0 – Os mastros podem ser desmontados em duas, três ou quatro seções para p ara facilitar no transporte.

A torre se apoia na subestrutura, criando um espaço de trabalho abaixo da plataforma, onde se instala o equipamento de segurança do poço - BOP (fig. 1.1).


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Fig. 1.1 – A subestrutura deve ter altura suficiente que permita a movimentação do BOP sobre a cabeça de poço.

1.2.

Conjunto Bloco/Catarina

O conjunto bloco/catarina compõe-se do bloco de coroamento, da catarina e do cabo de perfuração. Sua principal função é permitir o manuseio fácil das elevadas cargas geradas nas operações de perfuração. Bloco de Coroamento É um conjunto de polias, em geral de 4 a 6, dispostas em linha através de um eixo central. Este eixo é suportado por dois mancais de deslizamento apoiados sobre vigas de aço localizadas no topo da torre. Na extremidade do eixo existem graxeiros para a lubrificação dos rolamentos das polias e do próprio mancal de apoio (fig. 1.2).

Fig. 1.2 – Bloco de coroamento


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As dimensões das polias estão relacionadas com os diâmetros dos cabos de aço que podem passar por elas. Quanto maior o diâmetro do cabo maior o diâmetro da polia. Se a abertura do canal da polia é estreita para o cabo ambos se desgastarão por abrasão; se é larga demais o cabo se achata ao passar pela polia pela falta de apoio lateral (veja API STANDARD BA). Catarina/Gancho/Elevador A catarina é também um conjunto de polias justapostas num pino central mas que não fica fixa à torre. Pela movimentação do cabo passado entre as polias do bloco de coroamento e as suas, a catarina se movimenta ao longo da altura da torre, içando ou descendo equipamentos no poço. Em sua extremidade inferior encontra-se uma alça que a liga ao gancho (fig. 1.3).

Fig. 1.3 – Catarina

O gancho é o elemento de ligação da carga ao sistema de polias (fig. 1.4). Seus principais elementos são: a) Comando – elemento responsável pela transmissão da carga ao corpo do gancho;


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b) Mola e amortecedor hidráulico – evitam choques elevados do batente do comando no corpo do gancho. Ao suspender a carga, a mola se comprime suavizando o choque além de forçar o óleo para cima do elemento retentor da mola. Ao se liberar a carga, a mola força o comando para sua posição original com velocidade atenuada pela passagem restringida do óleo; c) Trava – dispositivo que permite ou não a rotação do comando.

Fig. 1.4 – Gancho

O gancho pode ser integrado a catarina formando com ela um equipamento unitário (fig. 1.5).

Fig. 1.5 – Catarina com gancho integrado


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O elevador é o equipamento usado para segurar a tubulação durante as movimentações. O elevador é bipartido, sendo as duas partes ligadas por dobradiças, tendo um trinco para sua abertura e seu fechamento. A ligação do elevador ao gancho é feita por duas hastes com olhais nas duas extremidades – os braços do elevador (fig. 1.6).

Fig. 1.6 – Elevador e hastes do elevador

Cabo de Perfuração O chamado cabo de perfuração é um cabo formado por arames de aço. Na sua construção são observados os seguintes itens: (1) Número de pernas e número de fios – o cabo é formado pelo enrolamento de pernas em torno de uma alma e as pernas pelo enrolamento de arames em torno de um arame central (fig. 1.7).

Fig. 1.7 – O cabo 6 x 19, por exemplo, compõe-se de 6 pernas de 19 fios cada


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(2) Composição – disposição dos fios em cada perna (ex: seale, filler, warrington). A composição é importante na seleção de um cabo em vista de sua aplicação. A flexibilidade de um cabo de aço está em proporção inversa ao diâmetro dos arames externos, enquanto que a resistência a abrasão é diretamente proporcional a este diâmetro. (3) Alma – as almas dos cabos podem ser de fibra natural (AF), de sisal ou rami, ou de fibras artificiais (AFA), geralmente de polipropileno. As almas de fibra em geral dão maior flexibilidade ao cabo de aço. Já as almas de aço dão maior resistência aos amassamentos e aumentam a resistência à tração. A alma de aço pode ser formada por uma perna de caco (AA) Ou por um cabo de aço independente (AACI) (fig. 1.8).

Cabo com Alma de Fibra AF (fibra natural) ou AFA (fibra articifical)

Cabo com Alma de Aço Formada por cabo Independente AACI

Cabo com Alma de Aço formada por uma Perna AA

Fig. 1.8 – Alma dos cabos

(4) Torção das pernas e do cabo – o cabo é de "torção à direita" quando as pernas são torcidas da esquerda para a direita e de "torção à esquerda" caso contrário. No cabo de torção regular os fios de cada perna são torcidos em sentido oposto à torção das próprias pernas (em cruz). No cabo de torção lang os fios de cada perna são torcidos no mesmo sentido que o das próprias pernas (em paralelo). A torção lang aumenta a resistência à abrasão do cabo e sua flexibilidade. Por outro lado, a torção regular confere maior estabilidade (menor tendência ao desenrolamento) ao cabo (fig. 1.9).


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Fig. 1.9 – Torção dos cabos

(5) Passo de um cabo – é a distância horizontal correspondente a uma volta completa de uma perna em torna da alma (fig. 1.10).

Fig. 1.10 – Passo de um cabo.

(6) Preformação – processo de fabricação adicional que faz com que os arames e pernas fiquem curvados na forma helicoidal. Na construção do cabo, tanto os arames como as pernas, permanecem curvados na posição natural com um mínimo de tensões internas (já que não há neles a tendência de endireitar-se). Como as tensões internas são mínimas também são mínimos a fricção interna e o conseqüente desgaste interno. (7) Resistência – os fabricantes fornecem para cada tipo e diâmetro de cabo a carga de ruptura mínima efetiva. O quadro abaixo fornece as faixas de resistência a tração e a correspondente denominação americana: Kg/mm2 "Extra Improved Plow Stell" (EIPS) .............................................................. 200 a 230 "Improved Plow Steel" (IPS) ......................................................................... 180 a 200 "Plow Steel" (PS) .......................................................................................... 160 a 180 "Mild Plow Steel" (MPS) .............................................................................. 140 a 160 "Traction Steel" ............................................................................................ 120 a 140 "Iron" ............................................................................................................ 60


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O cabo de perfuração apresenta alguns pontos críticos quanto ao desgaste devido ao uso como mostra a figura 1.11. Estes pontos estão nas polias do bloco de coroamento e nas da catarina, quando ela está parada nos extremos de seu curso, e os pontos no tambor do guincho em que se inicia nova camada de cabo (o cabo vai se enrolando no tambor "caminhando" de um flange a outro até que, ao encontrá-la, uma nova camada se sobrepõe a anterior "caminhando" em sentido contrário. Os pontos de mudança de camadas junto aos flanges são críticos). A fim de aumentar a vida útil do cabo periodicamente é feita uma corrida do cabo de perfuração de maneira que os pontos críticos sejam deslocados. Após certo número de corridas, o comprimento de cabo deslocado passa a ser problema no tambor do guincho, obrigando ao corte deste comprimento de cabo. O parâmetro usado no programa de corridas e corte de cabo é o trabalho realizado na movimentação de cargas medido em tonelada x milha (ver API RP 98).

Fig. 1.11 – Pontos críticos do cabo de perfuração.

Guincho É o equipamento da sonda responsável pela movimentação vertical das tubulações no poço. Suas partes principais são: (a) tambor principal, (b) freio, (c) caixa de marchas, (d) tambor auxiliar e molinetes. (a) Tambor principal É o tambor onde se enrola (desenrola) o cabo de perfuração ao se içar (descer) uma carga.


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(b) Freio Para o controle da velocidade de movimentação da carga existem dois sistemas de frenagem do tambor do guincho: o principal, por fricção, e o secundário, hidráulico ou eletromagnético. O freio principal consiste de duas cintas ajustadas às do tambor com cerca de 270° de contato. As cintas são compostas por sapatas de amianto responsáveis pela frenagem. As extremidades frontais das cintas estão conectadas por dois parafusos a uma barra equalizadora que assegura a mesma tensão de contato das cintas nas duas jantes. O parafuso permite a regulagem do aperto das cintas às jantes. As extremidades posteriores da cinta estão ligadas a alavanca do sondador. Quando o sondador empurra a alavanca para baixo a cinta do freio é tracionada iniciando a frenagem. Para dissipar o calor produzido, as jantes são refrigeradas com circulação de água internamente a elas (fig. 1.12).

Fig. 1.12 – Freio principal: (1) cintas; (2) parafusos; (3) barra equalizadora: (4) alavanca do sondador.

Com o aumento da profundidade dos poços e conseqüente aumento das cargas a serem movimentadas pelo guincho, desenvolveram-se sistemas de freios auxiliares a partir da década de 40.


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Os freios hidráulicos são máquinas hidrodinâmicas que absorvem potência pela conversão de energia mecânica em calor dentro de um fluido (normalmente água). Fica montado no mesmo eixo onde se localiza o tambor principal do guincho, na extremidade oposta à alavanca do sondador. Quando acoplado a este eixo (através de embreagem pneumática, por exemplo) o elemento rotor do freio impele a água para o elemento estator criando resistência ao seu movimento. Como a quantidade de energia mecânica a ser dissipada depende da quantidade e velocidade da água dentro da carcaça do freio, um sistema de circulação de água fresca é montado. No exemplo da figura 1.13, à medida que as cargas ficam mais pesadas o sondador aumenta o nível de água dentro do tanque aumentando a assistência do freio hidráulico à frenagem do tambor do guincho.

Fig. 1.13 – Freio hidráulico.


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Outro sistema auxiliar de freio muito usado é o freio eletromagnético. O princípio básico usado neste tipo de freio é a atração existente entre os pólos magnéticos norte e sul. O freio eletromagnético consiste de um tambor de aço, que gira com o eixo do tambor principal do guincho quando o freio está acoplado, e de bobinas que permanecem estacionárias. Quando o sondador aciona o freio, corrente elétrica passa através das bobinas tornando-as pólos magnéticos. O campo magnético criado induz corrente elétrica no tambor do freio, onde são gerados campos magnéticos de polaridade contrária aos pólos estacionários. Assim, a atração entre as bobinas e o tambor causam o torque de frenagem no eixo e calor, que é dissipado por sistema de refrigeração a água. Através da variação do fluxo de corrente nas bobinas, o sondador pode controlar a intensidade de frenagem no tambor do guincho ao descer a tubulação no poço (fig. 1.14).

Fig. 1.14 – Freio eletromagnético

(c) Caixa de Marchas A caixa de marchas do guincho permite adequar o binômio torque x velocidade no eixo do tambor principal a carga a ser içada.


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As características de uma caixa de marchas dependem do tipo da sonda quanto à energia de acionamento (sonda mecânica ou diesel-elétrica) além do projeto de cada fabricante. Tomemos como exemplo uma caixa de marchas projetada para sonda mecânica é constituída por dois eixos paralelos. Na extremidade do primeiro eixo (eixo primário) encontra-se uma roda dentada que recebe, por corrente, a potência vinda dos motores. Ao longo de seu comprimento, encontram-se as rodas dentadas que irão transmitir as rodas dentadas do eixo secundário às marchas a vante (eixos girando no mesmo sentido) e uma engrenagem que, acoplada a outra no eixo secundário, transmite a marcha a ré (eixos girando em sentidos contrários) (fig. 1.15).

a) Vante

b) Ré

Fig. 1.15 – Caixa de marchas de uma sonda mecânica.

Nas figuras 1.16 e 1.17, estão esquematizadas as caixas de marchas dos guinchos Gardner-Denver 2100 (sonda mecânica) e 2100 E (sonda diesel-elétrica).


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Fig. 1.16 – Sonda Mecânica

Fig. 1.17 – Sonda diesel-elétrica

(d) Tambor Auxiliar e Molinetes Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro

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Estes elementos estão montados no eixo secundário do guincho. No tambor auxiliar fica armazenado um cabo de aço mais fino que o cabo de perfuração (1/2 poI., por exemplo) que serve para descer pequenos equipamentos no poço (é utilizado na perfuração de poços direcionais para a descida de registradores de inclinação e direção por dentro da coluna de perfuração). Nas extremidades do eixo secundário estão instalados os dois tipos de molinetes: os "catheads", que acionam as chaves flutuantes, e os molinetes de fricção, que servem para movimentar pequenas cargas na plataforma. Ao atuar o "cathead" , um cabo de aço é enrolado puxando o rabo da chave flutuante transmitindo torque a conexão. No caso do molinete de fricção, içam-se pequenas cargas por meio de um cabo conhecido por "catline", que tem um gancho numa extremidade e um pedaço de corda na outra. O "catline" passa por urna polia fixada ao bloco de coroamento de modo que, ao se enrolar a corda no molinete de um lado, eleva-se uma carga presa no gancho do "catline" do outro (fig. 1.18).

Fig. 1.18 – O tambor auxiliar e os molinetes fazem parte do guincho de perfuração.

2.

SISTEMA DE ROTAÇÃO


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Apresentaremos aqui os principais equipamentos do sistema de rotação da sonda quando operando com a sonda convencional, ou com TOP DRIVE ou com motor de fundo. 2.1.

Método Rotativo Convencional

No método rotativo convencional, o sistema de rotação é composto pela mesa rotativa, a bucha do kelly, o kelly e o swivel. (a) Mesa Rotativa •

Funções

1) Recebe a energia de acionamento sob forma de rotação no plano vertical e a transforma em rotação no plano horizontal e a transmite aos demais elementos do sistema rotativo. 2) Suporta por acunhamento o peso da coluna. •

Acionamento

Pode ser de duas formas: Através do guincho: Nesse caso, uma roda dentada do guincho transmite por corrente a outra num eixo intermediário. Ao ser acionada a embreagem desse eixo, outra roda dentada fixa nele transmite por corrente para a localizada no eixo de entrada da mesa rotativa (fig. 1.19).


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Fig. 1.19 – Acionamento através do guincho.

Através de um conjunto independente: Nesse caso, um conjunto independente composto por um motor diesel, um conversar de torque, uma embreagem, e uma caixa de marchas, gera e transmite ao eixo de entrada da mesa rotativa o movimento necessário (fig. 1.20).

Fig. 1.20 – Acionamento através de um conjunto in dependente.

•

Componentes Principais (fig. 1.21)

Eixo Pinhão A extremidade externa do eixo-pinhão (ou eixo de entrada) contém o elemento receptor do acionamento (roda dentada ou flange). Em sua extremidade oposta interna à mesa, possui um pinhão que irá transmitir a energia de acionamento.


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Rotor É o componente transmissor aos demais elementos do sistema de rotação. A ele estão ligados mecanicamente a coroa engrenada no pinhão e o casquilho superior do rolamento autocompensador, que suporta as cargas axiais e de compressão a que a mesa está submetida. A parte superior do rotor é vazada de forma quadrada, onde se encaixa a extremidade inferior da bucha da mesa. Corpo É a carcaça que contém os componentes da mesa e por onde esta é fixada na subestrutura da sonda. Contém o depósito de óleo que lubrifica o engrenamento e os rolamentos.

Fig. 1.21 – Mesa Rotativa

Piso Construído de chapa antiderrapante, cobre a mesa e a protege de entrada de corpos estranhos. É onde circulam os elementos da equipe que operam na boca do poço. (b) Bucha do Kelly É o elemento de ligação entre a mesa rotativa e a coluna de perfuração.


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•

Descrição

Sua parte inferior, de seção quadrada se aloja na parte superior do rotor da mesa, de modo que seu movimento se transfere à bucha do kelly devido às arestas do encaixe. Seu centro é vazado de fora-a-fora com um orifício quadrado, por onde passa o kelly (haste quadrada). O contato bucha do kelly/kelly é feito através de roletes existentes no interior da bucha, montados em eixos horizontais, que permitem o livre movimento vertical do kelly (fig. 1.22).

Fig. 1.22 – Bucha do kelly

(c) Kelly É a haste ligada à coluna de perfuração, que lhe transmite diretamente rotação e torque. Sua seção quadrada possibilita a transmissão e seu centro é vazado, por onde passa o fluido de perfuração. (d) Swivel Funções 1) Liga as partes girantes às não girantes; 2) Permite livre rotação da coluna de perfuração; 3) Injeta o fluido de perfuração no interior da coluna. •


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•

Componentes Principais (fig. 1.23)

Alça É aquele que liga o swivel ao gancho. Pescoço de ganso É um tubo encurvado que liga o swivel ao mangote condutor do fluido de perfuração, sem que este seja submetido à flexão. Corpo É a peça inteiriçada que contém todos os componentes do swivel, onde se mantém o óleo lubrificante das partes internas. É vedado em suas extremidades por gaxetas para evitar vazamentos e entrada de corpos estranhos. Mandril Localizado na parte inferior do swivel, está ligado à haste quadrada, e portanto, é um elemento girante. Sua parte superior é flangeada, o que serve de batente para seu apoio no rolamento principal do swivel. Rolamento Principal Conforme acima citado, é onde o mandril se apoia. Como este está ligado à coluna de perfuração, o rolamento suporta o peso da coluna, que pode girar em rotações consideráveis.


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Devido a essas cargas, o rolamento determina a capacidade do swivel. Deve trabalhar sempre imerso em óleo, evitando desgaste excessivo. Camisa É um tubo de aço com superfície cromada que liga o pescoço de ganso (fixo) ao mandril (girante), permitindo o fluxo do fluido de perfuração. Engaxetamento É o que promove a vedação entre o mandril e a camisa. As gaxetas estão contidas na caixa de gaxetas ligada ao mandril. Assim as gaxetas giram também, em torno da camisa. Esse movimento relativo provoca um desgaste nas gaxetas e na superfície da camisa (daí sua superfície ser cromada), que, quando excessiva, causa um vazamento de fluido de perfuração, o que implica em parada da operação para substituição. Por isso, deve-se controlar a situação do desgaste, prevendo com antecedência a melhor ocasião para a troca desses sobressalentes, evitando paradas desnecessárias da operação.

Fig. 1.23 – Swivel


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2.2.

Top-drive

O sistema de perfuração com Top-drive elimina o uso da mesa rotativa, kelly e bucha do kelly. A coluna de perfuração gira movida por um motor conectado diretamente no seu topo. Este motor, elétrico de corrente contínua, é montado com o swivel convencional e desliza sobre trilhos, fixados à torre, permitindo a movimentação vertical da coluna (fig. 1.24).

Fig. 1.24 – Top-drive.

O Top-drive apresenta, além do motor e transmissão, um sistema de manuseio de tubos - "Pipehandler" - que permite içar e descer a coluna de perfuração, além de conectar ou desconectar a coluna do motor. É composto pelo adaptador dos braços do elevador, de elevador e braços de elevador convencionais e da chave de torque (fig. 1.25).


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Fig. 1.25 – Top-drive.

A chave de torque ("Torque Wrench") é atuada hidraulicamente e pode conectar/desconectar a coluna em qualquer altura da torre. 2.3.

Motor de Fundo

Quando se perfura com motor de fundo, o torque é aplicado diretamente à broca, sem necessidade de girar a coluna de perfuração, reduzindo o desgaste dos tubos de perfuração e do revestimento já descido no poço. Tipicamente, um motor de fundo é constituído de uma válvula de desvio (“bypass valve”), o motor propriamente dito e o conjunto de rolamentos.


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A válvula de desvio, colocada no topo da ferramenta, permite a entrada de fluido durante a descida e a drenagem do fluido durante a retirada da coluna de perfuração. O motor de fundo pode ser de deslocamento positivo ou turbina. Os motores de deslocamento positivo operam segundo o princípio de Moineau. O fluido de perfuração é bombeado através de cavidades entre o rotor de aço e o estator de elastômero, ambos helicoidais, provocando o giro do rotor, que se acopla à broca na sua extremidade inferior (fig. 1.26). Os motores de deslocamento positivo convencionais têm estatores com dois lobos para um rotor de um lobo. Atualmente existem motores com rotores e estatores de múltiplos lobos, sempre o rotor com um lobo a menos que o estator. O maior número de lobos permite obter-se maior potência a menores rotações e maior torque (fig. 1.27).

Fig. 1.26 – Motor de deslocamento positivo.


Fig. 1.27 – Vista em corte de um motor de deslocamento positivo.

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As turbinas são compostas de 50 a 300 estágios de rotores e estatores. Cada estágio consiste num conjunto de aletas fixas ao eixo movido, o rotor, e outro conjunto fixado ao corpo da turbina, o estator. À medida que o fluido de perfuração passa pelo estator, o correspondente rotor é forçado a girar. Como a vazão mássica de fluido é constante, a potência desenvolvida é função do número de estágios da turbina (fig. 1.28).

Fig. 1.28 – Turbina.

O conjunto de rolamentos ajuda a transmissão de peso e rotação para a broca. Absorvem, além de axiais, esforços radiais provenientes da vibração e dobramento da coluna.

3.

SISTEMA DE CIRCULAÇÃO

O Sistema de Circulação é o responsável pelo bombeamento do fluido de perfuração à pressão e vazão adequadas para as operações de perfuração. Além disso, neste sistema estão os equipamentos que promovem o tratamento do fluido de perfuração após a saída do poço, livrando-o de sólidos e fluidos indesejáveis.


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Os principais elementos que o compõe são (fig. 1.29): •

tanques de lama

•

bombas de lama

•

manifold

•

tubo bengala/mangueira de lama

•

saída de lama

•

sistema de tratamento da lama

3.1.

Tanques de lama

Os tanques de lama, feitos de chapas de aço, armazenam a lama na superfície. São interligados entre si por tubos de aço ou mangotes flexíveis e conectados aos equipamentos do sistema de tratamento. 3.2.

Bombas de Lama

As bombas de lama são as responsáveis pelo fornecimento de energia ao fluido para a circulação. São bombas volumétricas alternativas de pistões horizontais constituídas fundamentalmente de duas partes: •

•

parte mecânica (power end), que recebe a energia de acionamento na forma rotativa e a transforma em movimento alternativo; parte hidráulica (fluid end), onde a potência mecânica alternativa é transferida ao fluido na forma pressão x vazão.

O acionamento das bombas de lama é feito por motores independentes, tanto nas sondas diesel-elétricas como nas mecânicas (fig. 1.30).


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Tubo Bengala

Mangueira

Swivel Bomba Kelly

Tanques de Lama Interior da Coluna

Anular

Jatos da Broca

Fig. 1.29 – Sistema de circulação


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Fig. 1.30 – Esquema de acionamento da bomba de lama.

As bombas de lama podem ser de dois tipos: •

Duplex, que possuem dois cilindros horizontais, ou seja, dois pistões, de duplo efeito; o bombeamento é realizado nos dois sentidos do curso do pistão. Assim, em cada cilindro, enquanto num dos lados do pistão se está succionando, no outro se está descarregando (fig. 1.31 e 1.32).

Fig. 1.31 – Fluid-end de uma bomba duplex.

Fig. 1.32 – Esquema de um fluid-end de um a bomba duplex.


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•

Triplex, com três pistões de simples efeito: apenas na face anterior do pistão se succiona e se descarrega (fig. 1.33 e 1.34).

Fig. 1.33 – Fluid-end de uma bomba triplex.

Fig. 1.34 – Esquema de um fluid-end de uma bomba triplex.

As bombas triplex vêm substituindo gradativamente as duplex de mesma potência, pois são menores, mais leves e tem custo menor, tanto de aquisição como de manutenção. Na figura 1.35 podemos observar as partes constuintes da bomba de lama. A parte mecânica, power end, recebe a energia através do eixo de entrada, apoiado na carcaça da bomba por dois rolamentos em suas extremidades. Este eixo, através de um pinhão, transmite a uma coroa colocada num eixo de manivelas. Em cada manivela deste eixo é colocado um eixo excêntrico, onde se conecta uma das extremidades da biela. Na outra extremidade da biela se conecta a cruzeta, que é apenas uma caixa metálica que se move alternativamente sobre uma telha. Na cruzeta se enrosca a haste intermediária, elemento fraco dimensionado para proteger a parte mecânica de danos no caso de qualquer irregularidade.


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A parte hidráulica, fluid end, é um corpo de aço fundido, fixado ao power end por prisioneiros, composto pela rede de dutos de sucção e descarga da bomba. Cada cilindro é revestido com uma camisa de aço, cuja superfície interna normalmente é cromada, onde trabalha o pistão. Cada cilindro tem para cada efeito (simples ou duplo) um duto de sucção e outro de descarga (potes). Assim, nas bombas duplex temos dois potes de sucção e dois de descarga por cilindro, totalizando oito potes. Da mesma maneira, nas bombas triplex têm-se seis potes no total. Cada pote, seja de sucção ou descarga, tem um alojamento onde fica assentada a sede da válvula, que dará passagem à lama. Na sucção, por exemplo, as válvulas nos potes de sucção são empurradas para cima permitindo a entrada de lama na camisa, ao mesmo tempo que a válvula de descarga é empurrada para baixo, vedando a entrada de lama pelo pote de descarga.

Fig. 1.35 – Bomba triplex aberta


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O acesso aos cilindros e aos potes para substituição de sobressalentes e inspeção visual se dá através de tampões enroscadas e vedados com juntas que garantem a estanqueidade da bomba. A vazão de lama no sistema de circulação depende do número de bombas em operação (normalmente as bombas operam em paralelo), da velocidade, diâmetro e curso dos pistões. O comprimento do curso e o diâmetro das hastes dos pistões são fixados para uma dada bomba. O diâmetro dos pistões pode ser mudado (trocando-se os próprios pistões) forçando, é óbvio, à mudança da camisa correspondente. A vazão de uma bomba de lama não é constante dentro de um ciclo. Ela é pulsante devido à variação da velocidade dos pistões: no início do ciclo é igual a zero, atingindo o valor máximo próximo à metade do curso. Para atenuar os efeitos danosos das conseqüentes vibrações na descarga da bomba, são utilizados amortecedores de pulsação na linha de recalque (fig. 1.36).

Fig. 1.36 – Amortecedor de pulsação.


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3.3.

Manifold

É um conjunto de válvulas que recebe os mangotes de descarga das bombas e a linha de recalque para o tubo bengala, permitindo direcionar o fluxo para o poço por qualquer uma das bombas. 3.4.

Tubo Bengala / Mangeira de Lama

O tubo bengala (standpipe) é um tubo vertical fixado à torre. Conjuntamente com a mangueira de lama, que é uma mangueira flexível, permitem que se bombeie lama em qualquer altura dentro da faixa de movimentação do swivel. 3.5.

Saída de Lama

A saída de lama (flowline) é um tubo que conecta o espaço anular do poço com os tanques de lama. A lama ao sair do poço passa pela saída de lama e vai para a peneira vibratória, primeiro equipamento do sistema de tratamento da lama que a lama é forçada a percorrer antes de retornar para o tanque de sucção. 3.6.

Sistema de Tratamento da Lama

O sistema de tratamento da lama é equipado para remover sólidos, resfriar, misturar, adicionar aditivos químicos e remover ar ou gás do fluido de perfuração. Geralmente é composto pelos seguintes equipamentos (fig. 1.37):

Fig. 1.37 – Sistema de tratamento de lama.


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(a) Peneira Vibratória A peneira vibratória processa a separação dos sólidos grosseiros (cascalhos). É equipada com telas com aberturas variando de 10 a 150 mesh (mesh = número de aberturas por polegada linear), adequadas ao tipo de rocha perfurada. Com o movimento vibratório, os cascalhos "andam" pela tela inclinada até um defletor que os descarta. Os sólidos que passam através das telas são removidos por decantação no primeiro tanque de lama do sistema. O acionamento da peneira é feito por um motor elétrico de corrente alternada, de 2 a 5 HP, que é ligado a um vibrador excêntrico (fig. 1.37).

Fig. 1.37 – Peneira vibratória.

(b) Degaseificador É composto por um motor elétrico ligado por um eixo vertical a uma bomba centrífuga submersa no tanque de lama, que descarrega a lama diretamente sobre uma placa de desgaste. Esse impacto forma um leque circular de spray de lama, desprendendo o gás. A lama desliza pela parede interna e segue por gravidade a calha de descarga, retornando para o tanque (fig. 1.38).


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Fig. 1.38 – Degaseificador.

(c) Desareiador É um conjunto de dois ou três hidrociclones de 8" ou 10". O hidrociclone é cônico e possui duas saídas: a inferior, para as partículas sólidas descartadas, e outra superior, muito maior que a inferior, para o fluxo de lama. Uma bomba centrífuga impele a lama tangencialmente à circunferência interna da câmara superior do hidrociclone. O fluxo desce espiraladamente pela parede cônica até a abertura inferior, quando inverte o sentido e passa a subir espiraladamente pela parte central do hidrociclone. As partículas sólidas, devido sua maior massa e forças inerciais, não invertem o fluxo e continuam o movimento espiralado para baixo até serem descartadas pelo desareiador (fig. 1.39).


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Fig. 1.39 – Desareiador.

(d) Dessiltador Compõe-se de uma bateria de 8 a 12 hidrociclones de 4” ou 5”. Sua função é descartar partículas menores que 74 microns que tenham passado pelo desareiador (fig. 1.40).

Fig. 1.40 – Dessiltador.


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(f) Centrífuga A centrífuga retira partículas ainda menores que não tenham sido descartadas pelos hidrociclones. Consta de um tambor que ao girar cria uma força centrífuga no fluido, forçando os sólidos para as paredes. As paredes são “raspadas” internamente descartando as partículas sólidas por um lado do tambor enquanto que a lama sai pelo outro (fig. 1.41).

Fig. 1.41 – Esquema de uma centrífuga.

Fig. 1.42a – Esquema de circulação de um agitador de fundo.


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Fig. 1.42b – Agitador de fundo.

Fig. 1.42c – Pistola de lama.

(g) Misturadores Servem para homogeneizar a lama nos tanques. Podem ser de dois tipos: agitadores de fundo ou pistolas de lama.


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No primeiro, um motor elétrico aciona um eixo vertical cuja extremidade inferior, acoplada a um conjunto de palhetas, fica submersa no tanque. A pistola de lama é um tubo colocado na borda do tanque com um jato na extremidade. A lama é injetada através de uma bomba centrífuga para o tanque provocando turbulência (fig. 1.42). (h) Funil de Mistura É ligado a um compartimento do tanque de sucção e serve para adicionar aditivos em pó ao fluido de perfuração. Possui uma restrição ao fluxo bem abaixo da extremidade inferior o que aumenta a turbulência na lama ao receber o material pelo funil provocando a mistura (fig. 1.43).

Fig. 1.43 – Funil de mistura.

Quando se utiliza a técnica de Perfuração a Ar algumas adaptações devem ser efetuadas na sonda rotativa convencional. O termo Perfuração a Ar engloba 4 técnicas distintas. •

Perfuração com ar puro ou com gás

(Air Drilling)

•

Perfuração com névoa

(Mist Drilling)

•

Perfuração com espuma

(Foam Drilling)

•

Perfuração com fluidos aerados

(Aerated Fluids Drilling)


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Os equipamentos básicos são (fig. 1.44):

(a) Compressor Primário Normalmente alternativos de curso completo, com 4 cilindros e 3 estágios. São montados em paralelo e a pressão máxima de operação fica em torno de 300 psi. (b) Compressor Secundário (Booster) Também alternativos de curso completo, 2 cilindros e 2 estágios. Recebe o ar comprimido dos compressores primários e o processa para pressões da ordem de 1500 psi. (c) Unidade de Espuma É composta essencialmente de reservatório para água e bombas para injeção de água, aditivos líquidos e sólidos pulverizados na linha principal de ar. (d) Unidade Registradora das Pressões Registra numa carta as pressões ao longo de 24 horas de operação. (e) Linha Principal de Ar, Válvulas e Manifold Instalados de modo a permitir fácil controle do fluxo do fluido circulante. O manifold e as válvulas são geralmente instalados na plataforma da sonda com o manômetro voltado para o operador. Na linha principal de ar deve ser instalada uma linha de alívio das pressões dos compressores.


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Apostila de Sistemas de Sonda

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