Avaliação do custo métrico da broca tricônica, pdc e híbrida com base nos desgastes tribológicos
O estudo da tribologia tem sido indispensável para qualificar o tipo de desgaste ocorrido em brocas durante a perfuração, contribuindo para a seleção do melhor equipamento.
Devido aos altos custos das sondas utilizadas nas atividades de perfuração, a velocidade de execução das operações é imprescindível. A busca por métodos e ferramentas que reduzem os gastos é um desafio.
Mediante estudos tribológicos, pode-se escolher a broca adequada para perfurar certa formação a uma taxa de penetração (ROP) alta, obtendo o menor tempo de manobra com um menor tempo de perfuração e, assim, diminuindo o custo métrico do poço (IFEKAIBEYA, 2001).
O termo tribologia, estudo do desgaste, reúne conhecimentos adquiridos na física, química, mecânica e ciência dos materiais para explicar e prever o comportamento de sistemas mecânicos. A resistência ao desgaste é considerada parte de um sistema tribológico, sendo influenciada por vários parâmetros, entre eles o tipo de abrasivo, as propriedades do material, as características do projeto e as condições operacionais do equipamento de desgaste (Anderson, 1991, apud RADI, 2007).
Dos princípios básicos da tribologia, quatro modos de desgaste são aceitos e estão representados pelo desgaste adesivo, que ocorre quando a ligação adesiva entre as superfícies é suficientemente forte para resistir ao deslizamento; o desgaste abrasivo advém da remoção de material da superfície em função do formato e da dureza dos dois materiais em contato; já o desgaste por fadiga, é provocado pelo alto número de repetições do movimento; por fim, o desgaste corrosivo aparece em meios corrosivos, líquidos ou gasosos (RADI, 2007).
De acordo com SINOR e WARREN (1989) as brocas apresentam duas categorias de desgaste, dependendo da sua causa básica. A primeira é o desgaste abrasivo, normalmente associado com o desenvolvimento de um desgaste plano e uniforme, com isso, gera degradação do ROP (taxa de penetração) e encurta a vida da broca. A segunda categoria de desgaste é baseada no resultado dinâmico dos cortadores, sendo representada pelo lascamento, quebra e perda de cortadores.
Figura 1 – Critérios de Análise de Desgaste – Fonte: Adaptada de PALÁCIO e PINHO, 2009
A Figura 1 representa um modelo de avaliação de desgaste da broca, permitindo ao engenheiro ou encarregado determinar em que nível de desgaste a broca se encontra para determinar sua troca ou permanência.
Custo métrico e suas variáveis – Embora representem apenas uma fração do custo total do equipamento, as brocas são um dos elementos mais críticos para determinar o aspecto econômico da perfuração. O objetivo é obter o menor custo de perfuração sem colocar em risco as operações. O custo por metro perfurado é o parâmetro utilizado para associar valor à eficiência da operação. Para o cálculo, as variáveis de tempos de manobra ™, tempo de conexão (tc), tempo de perfuração (tp), custo da sonda (cs), custo da broca (cb) e metros perfurados (mp) são usadas para se obter o custo métrico perfurado (CM). Sendo assim:
CM = [cb+cs.(tm+tc+tp)] / mp
A fórmula do custo métrico é uma simplificação da realidade, já que existem inúmeros parâmetros operacionais e exógenos que afetam os diversos tempos existentes no processo de perfuração. O tempo de conexão, por exemplo, é uma variável oscilante dependendo da forma que é realizado o procedimento. Esse tempo depende de fatores como: equipamento usado, condições de operação e experiência dos operadores (BARRAGAN, 2007 e JUNIOR, 2008).
Metodologia – Os dados deste caso foram retirados do artigo “Hybrid Drill Bit Improves Drilling Performance in Heterogeneous Formation in Brazil” (Thonson, Krasuk, Silva e Romero, 2011). O intervalo de discussão é composto pela formação caracterizada por arenitos leves intercalados com folhelhos plásticos e siltito cinza. O desafio foi perfurar esse intervalo com taxa de penetração melhorada e com níveis de vibração reduzidos simultaneamente, evitando a necessidade de trocar a broca durante a operação. Nas fases analisadas, duas brocas tricônicas (TC), de códigos IADC 517 e 537, respectivamente, foram usadas e comparadas com uma broca híbrida (HIB) em um cenário similar a um sistema de perfuração automático (top drive). Os indicadores de desempenho usados foram taxa de penetração, custo métrico e distância perfurada.
A comparação mostra que a broca híbrida, no poço 1, foi 71% mais rápida do que no poço 2, que teve uma taxa de penetração média de 3,4 m/h usando uma broca tricônica 517. E 200% mais rápida do que no poço 3, que teve um ROP médio de 1,7 m/h usando a broca tricônica 537. Já o custo métrico do poço 1 (HIB) foi 18% menor do que no poço 2 (TC 517) e 46% menor do que no poço 3 (TC 537). A estrutura de corte da broca híbrida mostrou baixo desgaste dos cortadores após a corrida, pois a mesma apresenta em sua estrutura cortadores de uma broca PDC (Polucrystalline Diamond Compact) e TC (THONSON, 2011).
Analisados os dados do artigo, agora a proposta é comparar o custo métrico por meio do desempenho das brocas HIB, TC e PDC em formações intercaladas, adicionando valores métricos hipotéticos para a broca PDC, pois a mesma não foi citada no artigo. Substituiu-se a TC 537 do poço 3, pois obteve menores taxas comparativas, por uma PDC. Simulando o mesmo cenário e respeitando as características de sua perfuração, os resultados encontrados permitiram uma análise qualificada na escolha da broca apropriada para perfurar esta formação, diminuindo os custos de operação.
Estudo de caso – Foram perfurados 362 m (de 2138 m a 2500 m), com a broca híbrida, de uma sequência intercalada de arenito e folhelho com taxa de penetração média de 5,85 m/h, variando de 3 a 8,5 m/h. Na maioria das corridas, o peso sobre a broca de 12¼” foi maior que 33000 lb. Foi usado 110 rpm com taxa de fluxo igual a 700 gal/minuto. Em toda a operação, a seção de potência de pressão diferencial do sistema de perfuração automático foi estabilizada em 300 psi.
As simulações realizadas mostraram que a broca híbrida perfurou o trecho de 362 m com taxa de penetração média de 5,8 m/h com a mesma broca, portanto sem perda de tempo com manobras. A broca TC 517 perfurou exatos 417 m com uma taxa de penetração média de 3,4 m/h, metragem além da requerida, porém necessitou realizar quatro manobras para troca das brocas. Por fim, adicionamos a broca PDC, do poço 3, que realizou o trecho em 462 m, com 100 m além do objetivo sugerido, perfurando com uma taxa de penetração média de 8 m/h, necessitando realizar duas manobras para troca de brocas.
Embora representem apenas uma fração do custo total da sonda, a utilização destes parâmetros como indicadores de rendimento do custo métrico são válidas somente em operações normais, excluindo casos de operações especiais (pescaria, aprisionamento de coluna, kicks, etc). O objetivo é obter o menor custo de perfuração sem colocar em risco as operações (RIBEIRO, 2002).
Resultados e discussões – A broca TC apresenta uma estrutura capaz de suportar bem a formação do caso analisado. De acordo com testes de laboratório, 6000 giros é o máximo de rotações permitidas para este tipo de broca para a formação analisada. Rotações acima deste número provocariam redução do ROP ou até mesmo quebra de ferramenta/broca, custeando mais a operação. Entretanto, se retirarmos a broca até os 6000 giros, mantém-se a operação dentro do custo métrico previsto.
As brocas PDC normalmente perfuram com uma taxa de penetração maior do que a híbrida e a tricônica em formações homogêneas. O fator vibração, (força exercida como um soco da coluna para baixo), impede a PDC de atuar em formações heterogêneas sem sofrer danos. Esse dano se deve ao desgaste ou à quebra de cortadores, que acabam comprometendo os cortadores das fileiras de trás, formando um anel. Isso faz com que a broca perca sua eficiência, batendo na parede do poço e forçando a mudança de offset, necessitando ser trocada, pois já estaria perdendo taxa de penetração (PALÁCIO e PINHO, 2009).
Os valores aqui utilizados foram arbitrados com base em valores médios de mercado onde o custo atualizado da sonda foi de US$ 468.000/dia. E os valores das brocas HIB, TC e PDC de 12¼ polegadas são, respectivamente, US$ 290.000, US$ 20.000 e US$ 70.000 mil dólares a unidade.
O quadro e o Gráfico 1 a seguir resumem o verificado com as brocas HIB, TC e PDC, indicando o número de brocas utilizadas com as metragens perfuradas e custos métricos correspondentes.
Gráfico 1: Metros perfurados pelo custo métrico atingido
Resumo dos resultados – No Gráfico 1 é possível notar a vantagem da broca híbrida na perfuração do trecho, utilizando somente uma broca. A estrutura da broca híbrida permite unir a TC, com ênfase na trituração, e a PDC, com a função de raspagem, diminuindo a vibração da coluna, o que favorece a precisão no offset.
Conclusão – É importante que se tenha uma visão de todo o cenário da perfuração de um poço. A técnica de como escolher uma broca é fundamental, pois o tempo de manobra acaba se tornando excessivamente alto com a broca inadequada. As brocas de perfuração, que correspondem a uma pequena parcela do alto investimento de perfuração, participam de maneira decisiva no custo total da operação. Sendo assim, para realizar uma escolha adequada, devem ser levados em consideração tantos os aspectos tecnológicos como os econômicos.
Com o estudo do custo métrico, chegou-se à conclusão que as brocas de PDC têm um maior potencial de taxa de penetração do que brocas híbridas e tricônicas. Notou-se de imediato que as brocas TC e HIB são de 57% e 27,5%, respectivamente, mais lentas do que as brocas PDC para o peso sobre a broca e velocidade de rotação na formação analisada.
Porém, apesar da taxa de penetração razoável de 5,8 m/h, com um custo por broca de US$ 290.000 dólares, a broca híbrida, em sua estrutura de raspagem e trituração, proporciona uma vantagem sobre as brocas TC e PDC em formações heterogêneas, com desempenho mais eficiente e lucrativo. Desta forma, percebemos que a broca híbrida é indicada para formações altamente intercaladas, em que brocas tricônicas e de PDC não alcançam o desempenho esperado.
Texto: Lourenço Ouriques
BIBLIOGRAFIA
BARRAGAN, R. V. Otimização dos parâmetros de perfuração. [S.I.]: Petrobrás/ SEREC/ CEN-NOR, 2007.
IFEKAIBEYA, W. N. Estudo da influência da taxa de penetração de broca de perfuração nos custos da construção de poços de petróleo. CAMPINAS, 2011.
JUNIOR, D. S. A. Metodologia para a Redução de Custos na Perfuração de Poços de Petróleo e Gás. Tese de mestrado. Escola Politécnica, USP, 2008.
PALÁCIO, João C. R; PINHO, Rodrigo. Brocas de Perfuração de Petróleo, Rio de Janeiro, 2009.
RADI, P.A. et al Tibologia, Conceitos e Aplicações, São Paulo: Anais do 13o Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIII ENCITA / 2007.
REGALLA, S. de A. Pinto, Correlação entre tipos de brocas, taxa de penetração e formações rochosas. Rio de Janeiro 2011.
RIBEIRO P. R., Apostila de Engenharia de Perfuração. UNICAMP, 2002.
THONSON, I. et al. Artigo 143686 SPE, Hybrid Drill Bit Improves Drilling Performance in Heterogeneous Formation in Brazil, 2011.
O Autor
Lourenço Ouriques é formado em Engenharia de Petróleo pela Universidade de Vila Velha, no Espírito Santo. Este artigo foi elaborado sob a orientação da Dra. Leila Beatriz Silva Cruz.
