Evolução e Tipos de Brocas de Perfuração

Brocas de Perfuração
Profº: João Carlos Ribeiro Plácido
E-mail: jcrp48@hotmail.com
Agosto / 2014

• Da broca de arraste, tipo rabo de peixe,
passando pela revolução que gerou as brocas
de cones rotativos no principio do século XX e
chegando às linhas atuais de brocas utilizando
tecnologia de diamantes sintéticos, as novas
brocas tem buscado se adaptar às exigências
de projetos de poços complexos, sempre
buscando a otimização de desempenho em
cada tipo de rocha perfurada
Introdução

Evolução das Brocas de Perfuração
Introdução

• O engenheiro de perfuração deve conhecer
os fundamentos dos projetos das brocas e ser
capaz de entender seu comportamento para
fazer uma seleção adequada.
Introdução

• Para isso, deve analisar um grande
número de informações de poços de
correlação:
– Desgaste das brocas;
– Performance das brocas;
– Registros geofísicos;
– Compressibilidade das rochas;
– Propriedades dos fluidos de perfuração;
– Litologia;
– Objetivos de perfuração para cada fase.
Introdução

• Definição: Broca é a ferramenta de corte localizada no extremo
inferior da coluna de perfuração, a qual é utilizada para cortar ou
triturar a formação durante o processo de perfuração rotativa.
• Para realizar a perfuração as brocas utilizam como base os
princípios fundamentais para vencer os esforços da rocha, e a forma
de ataque pode ser por: acunhamento, cisalhamento,
esmerilhamento, esmagamento, e até mesmo erosão por ação de
jatos de fluido.
• A forma do ataque dependerá do tipo e das características da rocha
que se deseja cortar, principalmente em função de sua dureza e
abrasividade. Este fator é muito importante na classificação das
brocas. É o grau de dureza e abrasividade que determinará o tipo de
broca e o princípio de ataque.
Tipos de brocas

• As primeiras patentes das brocas de perfuração surgiram no início
do século XX paralelamente aos descobrimentos de jazidas de
petróleo. Seu projeto e engenharia melhoraram notavelmente suas
características físicas, mecânicas, e com isso sua duração e
funcionamento também evoluíram.
• Os tipos de broca mais utilizados para perfuração de poços de
petróleo se classificam genericamente da seguinte maneira:
– Brocas com partes móveis
– Brocas sem partes móveis
Tipos de brocas

• Inicialmente as ferramentas disponíveis eram as brocas de
aletasàtipoà Ra oàdeàPei e àeàsuasàdive sasàva iações.àTa é à
chamadas de brocas de arraste pelo seu mecanismo de
perfuração. As brocas de arraste não possuem partes móveis
e perfuram por ação de cavar suas aletas na rocha. As saídas
de fluido estão localizadas de tal maneira que o fluxo é
dirigido para as aletas, mantendo-as limpas.
• Estas ferramentas foram eventualmente substituídas por
novos projetos de brocas de cones. O conceito e mecanismo
de perfuração das brocas de aletas seriam retomados mais
adiante com a aparição das brocas de diamante policristalino
(PDC).
Tipos de brocas
Brocas com partes móveis: Broca de cones

• A primeira broca de cones foi patenteada por Howard Hughes
em 10/08/1909. Esta broca, com suas subseqüentes
melhorias, permitiu que a perfuração rotativa competisse com
o método de percussão em formações mais duras.
• Eventualmente, a perfuração rotativa substituiu o método de
percussão em inúmeras outras aplicações. A perfuração
rotativa com percussão segue, contudo, sendo utilizada com a
aplicação de martelos pneumáticos. Os martelos hidráulicos
estão em desenvolvimento.
• A evolução das brocas de cones continuou com projetos de
brocas de três e quatro cones, e continua até hoje com
versões modernas das brocas bi-cônicas e mono-cônicas.
Tipos de brocas

• O fator mais importante no projeto de brocas de cones, a
estrutura de corte, também se modificou em razão da
evolução tecnológica. Variou desde cortadores formados por
dentes fresados no mesmo aço dos cones (1909); dentes
engrenados para auto limpeza da broca (1925); dentes de aço
recobertos com metal duro (liga de carboneto de tungstênio,
1928); ao desenvolvimento de insertos de carboneto de
tungstênio para formações mais duras (1951). Hoje, se dispõe
de diferentes graus de material dos insertos combinando-se
diferentes tamanhos de grãos de carboneto de tungstênio,
com o material de ligação à base de cobalto. Atualmente, a
broca de cones é ajustada com insertos resistentes à abrasão
ou ao impacto (em seus diferentes graus), dependendo da
aplicação.
Tipos de brocas

• Por outro lado, os rolamentos de cilindros e esferas das brocas
de cones, introduzidos no ano 1932, que seguram os cones às
pernas da broca e permitem seu movimento, também
evoluíram. O rolamento de fricção (journal) selado foi
introduzido em 1966 para brocas de formações duras, as
quais requerem mais peso sobre a broca, o que limita a vida
dos rolamentos de cilindros. Selos de geometrias e materiais
avançados e lubrificantes de tecnologia de ponta, também
contribuíram para que as brocas de cones se tornassem mais
duráveis em ambientes de perfuração mais hostis. Selos
duplos a base de elastômeros de alta resistência foram
introduzidos em 1996 para incrementar ainda mais a vida dos
rolamentos.
Tipos de brocas

• A conservação do diâmetro do calibre das brocas é crítica em
operações de perfuração. O avanço mais significativo neste
campo foi a introdução de insertos de diferentes geometrias,
recobertos com capas de diamante sintético para resistir ao
desgaste ocasionado pelo contato dinâmico do calibre da
broca com formações abrasivas (1984).
• A incorporação de jatos às broca de cones (1948) ajudou a
melhorar a limpeza do fundo do poço e da estrutura de corte.
Os projetos hidráulicos das brocas atuais incluem jatos
dirigidos, estendidos, centrais e difusores, que contribuem
ainda mais para a limpeza do fundo do poço e da estrutura de
corte, assim como ao resfriamento da broca.
Tipos de brocas

Tipos de brocas
tricônica de dentes
de aço
tricônica de
insertos
bicônica de
insertos
monocônica
de insertos

• As brocas de cones contam com cones cortadores que giram
sobre seu próprio eixo. Variam de acordo com sua estrutura
de corte e podem ter dentes de aço usinados ou de insertos
de carboneto de tungstênio.
• O sistema de rolamento pode ser convencional, rolamento
selado ou mancais de fricção tipo journal.
• As brocas de cones contam com três importantes
componentes: a estrutura cortante, os rolamentos e o corpo.
Tipos de brocas
Brocas com partes móveis: Princípio de projeto

• Componentes de uma broca de cones
Tipos de brocas

• A estrutura de corte e os cortadores estão montados sobre os
rolamentos, os quais constituem parte integral do corpo da
broca.
• Atualmente, empregam-se nas brocas dois distintos tipos de
elementos de corte e três tipos de rolamentos. Os elementos
cortadores são os dentes de aço usinados desde um cone
básico de material e recobertos com metal duro, ou os
insertos de carboneto de tungstênio colocados por
interferência em furos perfurados na superfície dos cones.
Tipos de brocas

Tipos de brocas
Estrutura Cortante
Elementos cortantes das
brocas de cones:
(dentes de aço e
insertos de carboneto de
tungstênio)

• Os cones são forçados a rodar ao redor do centro da broca.
Como possuem ângulos de ataque diferentes produzem maior
taxa de raspagem, que é a melhor maneira de perfurar de
forma efetiva os terrenos moles. Portanto, uma ação mais
efetiva para se incrementar a penetração em formações
moles é obtida aumentando-se o offset dos eixos dos cones. O
offset é o ângulo entre o eixo de rotação da broca e o plano
vertical, e determina o grau de ação de raspagem dos dentes.
Para formações duras o offset tende a zero e o mecanismo
predominante de ataque é o esmagamento.
Tipos de brocas

Tipos de brocas
Offset de brocas tricônicas

• Os rolamentos podem ser de esferas e cilindros, rolamento
selado ou de fricção.
Esquema básico de rolamentos de cilindros
e rolamentos de fricção
Tipos de brocas
Rolamentos

• Rolamento tipo Journal
Tipos de brocas
Rolamentos

• Existem três configurações:
– Rolamento convencional com cilindros e esferas;
– Rolamento auto-lubrificado com cilindros e esferas;
– Rolamento de fricção auto-lubrificáveis.
• Os rolamentos convencionais apareceram para substituir os
primeiros rolamentos de fricção. Foram lançados ao mercado
num momento em que só existiam brocas com dentes de aço.
Estes rolamentos operavam em contato com o fluido de
perfuração e em muitos casos duravam tanto ou mais que a
estrutura cortante. Entretanto, em alguns locais e com alguns
tipos de brocas estes rolamentos eram inadequados.
Tipos de brocas
Rolamentos

• Nas brocas atuais, os rolamentos convencionais são
empregados apenas na parte superior dos poços, onde o
tempo de manobra não é excessivo ou em aplicações em que
a velocidade de rotação é alta. Os roletes absorvem a maior
porção dos esforços radiais sobre os cortadores.
• Com a introdução dos insertos de tungstênio como cortadores
no lugar dos dentes fresados a vida útil dos rolamentos
convencionais foi colocada em xeque. Além disso, os
elementos do rolamento necessitam um depósito para graxa,
um compensador de pressão, um comunicador entre ambos e
um selo.
Tipos de brocas
Rolamentos

• Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de
cilindros e esferas
Tipos de brocas
Rolamentos

• Mesmo em um ambiente lubrificado, os rolamentos de
cilindros e esferas depois de um determinado tempo falham
por fadiga do material. Entretanto, a vida do rolamento é
suficientemente grande para algumas brocas com dentes de
aço. Assim, este tipo de rolamento é empregado nas brocas
para formações moles. No entanto, as estruturas cortadoras
de insertos de tungstênio duram mais que o rolamento de
cilindros e esferas lubrificados. Isto levou ao desenvolvimento
de rolamentos de fricção e de novo selo.
Tipos de brocas
Rolamentos

• O sistema depósito-compensador é similar aos usados nas
brocas de dentes de aço. A diferença mais importante é o
emprego do o-ring e a adição de uma superfície metal-metal
que substitui os cilindros. O rolamento de fricção volta a ser o
componente principal a suportar as cargas. As superfícies de
contato deste rolamento são recobertas com metais especiais
que agregam uma resistência adicional ao desgaste. Estes
rolamentos têm vida mais longa que a maioria das estruturas
cortadoras atuais.
Tipos de brocas
Rolamentos

• Esquema detalhado de um conjunto selo-rolamento de fricção
Tipos de brocas
Rolamentos

• O corpo da broca tem a seguinte composição:
– Conexão rosqueada que une a broca com o tubo de perfuração;
– Três eixos de rolamento onde são montados os cones;
– Depósito que contém o lubrificante para os rolamentos;
– Orifícios através dos quais passa o fluido de perfuração.
• Um dos propósitos do corpo da broca é direcionar o fluido de
perfuração para tornar a limpeza mais efetiva no fundo do
poço. Estes orifícios estão localizados para direcionar o fluido
de perfuração de modo que limpem os cones das brocas e o
fundo do poço.
Tipos de brocas
Corpo

• Ação dos jatos na limpeza dos cones e fundo de poço
– Jatos normais
– Jatos cruzados
Tipos de brocas
Corpo

• As bombas modernas têm potência suficiente para limpar o
fundo do poço e também a broca. Em algumas formações
moles, os jatos do fluido de perfuração retiram o material por
sua própria força hidráulica. A erosão do corpo da broca,
provocada pelo fluido a altas velocidades, se reduz com o
emprego de jatos de carboneto de tungstênio.
• As brocas de cones, como foi mencionado, são as mais
utilizadas na atualidade para a perfuração petrolífera. Cada
fabricante tem seus próprios desenhos de brocas de cones,
com características específicas de cada fabricante, mas de
acordo com o código de padronização emitido pela IADC.
Tipos de brocas
Corpo

• IADC desenvolveu um sistema padronizado para classificação
das brocas tricônicas. Classificam-se de acordo com o tipo,
dentes de aço ou insertos, a classe de formação para a qual
foram projetadas (em termos de série e tipo), as
características mecânicas, e em função do fabricante. Para
fazer comparações e evitar confusão entre os tipos de brocas
equivalentes em relação aos seus distintos fabricantes, o IADC
criou o seguinte o código de classificação:
N1 N2 N3 A
Tipos de brocas
Brocas com partes móveis: Código IADC para tricônicas

N1: Identifica o tipo e o desenho da estrutura de corte com
respeito ao tipo de formação, conforme abaixo:
1 - Dentes de aço para formações moles;
2 - Dentes de aço para formações médias;
3 - Dentes de aço para formações duras;
4 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito
moles;
5 - Dentes de insertos de tungstênio para formações moles;
6 - Dentes de insertos de tungstênio para formações médias;
7 - Dentes de insertos de tungstênio para formações duras;
duras.
Tipos de brocas

N2: Indica o grau de dureza da formação na qual se usará a
broca. Varia de mole à dura, conforme a seguir:
1 - Para formações moles;
2 - Para formações médias moles;
3 - Para formações médias duras;
4 - Para formações duras.
Tipos de brocas

N3: Indica o sistema de rolamento e lubrificação da broca em
oito classificações, conforme abaixo:
1 – Rolamento convencional não selado;
2 – Rolamento convencional não selado com refrigeração a ar;
3 – Rolamento convencional não selado com proteção de calibre;
4 – Rolamento selado auto-lubrificado;
5 – Rolamento selado com proteção de calibre;
6 – Rolamento de fricção (journal) selado;
7 – Rolamento de fricção (journal) selado com proteção de
calibre;
8 – Para perfuração direcional;
9 – Outros.
Tipos de brocas

A: Um caractere alfanumérico que indica outras
características, tais como: aplicações a ar comprimido, selos
espe iais,àjatoà e t al,àet .àásàopçõesàpa aàoà a a te eà á àsãoà
apresentadas na Tabela abaixo.
• Tabela 1 – Exemplos de características especiais referentes ao
código IADC
Tipos de brocas

Tipos de brocas
A: Características especiais referentes ao código IADC

Tipos de brocas

Tipos de brocas
Exemplos

Tipos de brocas
Exemplos: 135M
1 - Dentes de aço para formações moles;
5 – Rolamento selado com proteção de calibre;
M – Aplicação com motor de fundo.

Tipos de brocas
Exemplos: 447X
moles;
4 - Para formações duras.
calibre;
X – Inserto tipo Chisel.

Tipos de brocas
Exemplos: 637Y
6 - Dentes de insertos de tungstênio para formações médias;
calibre;
Y – Inserto tipo cônico.

• Oàg upoà Dia o dàTea àdaàGEà hegouà à o lusãoàdeà ueà
teria que se reproduzir as condições naturais, as quais o
carvão se transforma em diamante, se quisesse levar seu
projeto adiante. Concluíram que necessitariam de um
equipamento que gerasse 3500º F (1927º C) e uma pressão de
um milhão de libras por polegada quadrada (psi), condições
equivalentes a uma profundidade de 160 milhas (258 Km) no
subsolo. Depois de milhões de dólares de investimento e
muito trabalho, em 1953, o grupo dispunha de aparatos e
ferramentas para iniciar os experimentos.
Tipos de brocas
Brocas sem partes móveis

• Em outubro de 1957 foi lançada uma linha comercial de
diamante sintético para retífica e afiamento de ferramentas
de carboneto de tungstênio para tornos. Depois de passar por
desenvolvimentos para diferentes aplicações, se começou a
estudar sua aplicação para a perfuração de poços. Em 1976 se
criou uma empresa subsidiaria para tal fim, Stratapax Drill
Blanks, que lançou no mercado discos e hastes de carboneto
de tungstênio com uma capa de diamante policristalino em
um extremo. Estes seriam montados no corpo de aço de uma
broca como elementos de corte. Assim nasceram os
o tado esàeà o asàPDCà à Pol stalli eàDia o dà
Co pa t .
Tipos de brocas

• Os primeiros projetistas de brocas PDC se basearam nos
modelos existentes de brocas de diamante natural para
projetar seu perfil. Para sua fabricação, aproveitaram os
conhecimentos e experiências na criação de brocas de cones
de insertos. Os cortadores PDC eram hastes inseridas no
corpo de aço da broca. Inicialmente não se considerou a
otimização da hidráulica nem a evacuação de cascalhos da
face da estrutura de corte das brocas.
Tipos de brocas

• Posteriormente começaram a fabricar os corpos das brocas de
uma matriz de carboneto de tungstênio. Com o tempo, o
processo se modificou bastante. Agora se fabrica um molde
de grafite com o perfil, espaço para as aletas e os canais de
fluxo. Coloca-se dentro do molde o pó de carboneto de
tungstênio e por cima um metal aglutinante que se fundirá
dentro de um forno a temperatura e ambiente controlados. A
broca é depois sacada do molde e retificada. Os cortadores
são soldados em bolsos deixados no topo das aletas.
• Atualmente se utiliza matriz aço para fabricar os corpos das
brocas. Seu uso depende da abrasividade da formação e o
conteúdo de material erosivo no fluido de perfuração.
Tipos de brocas

• Desde os primeiros testes, os resultados foram promissores.
Em certas ocasiões, uma broca PDC substituía várias corridas
de brocas convencionais. Muitos anos depois, quando o
estudo da dinâmica de perfuração avançou
significativamente, houve indicações que eventos vibracionais
durante a perfuração com brocas PDC afetavam tanto ou mais
que o calor gerado pelo mecanismo de perfuração por
cisalhamento.
Tipos de brocas

• A partir desse momento, o desenvolvimento de novos
projetos de brocas PDC enfocou este aspecto. Os perfis,
quantidade de aletas, tamanho de cortadores, arranjo
hidráulico, orientação espacial e tipo de cortador são
projetados levando-se em conta os parâmetros modernos de
desempenho de uma broca PDC. Os perfis, quantidade de
aletas, tamanho de cortadores, projeto hidráulico, orientação
espacial, estabilidade (características anti-vibracão);
comportamento direcional; durabilidade e taxa de
penetração. Tudo isso se traduz na redução dos custos de
perfuração e o produto final, ou seja, o poço, feito em menos
tempo.
Tipos de brocas

• A inexistência de partes móveis e rolamentos aumentam a
confiabilidade destas brocas, uma vez que a as formações a
serem perfuradas são susceptíveis a sua aplicação e a broca
correta é selecionada para a aplicação.
• Os principais tipos de brocas sem partes móveis utilizados nos
dias atuais são: PDC e Impregnadas
Tipos de brocas

• Utilizam diamante sintético no formato de um compacto de
diamante policristalino. Seus cortadores são na forma de
pastilhas, montada nas aletas da broca, que podem ser de aço
ou matriz. O que as diferencia das brocas de diamante natural
e TSP, é seu desenho hidráulico que se realiza com sistema de
jatos, similar às brocas de cones.
Tipos de brocas
Brocas sem partes móveis: Cortadores Fixos
Brocas PDC

PDC de corpo de aço PDC de corpo de matriz
Tipos de brocas
Brocas PDC

Tipos de brocas
Brocas PDC

• A orientação dos cortadores: exposição, ângulo de back rake e
ângulo de side rake influenciam diretamente a taxa de
penetração da broca PDC.
Exposição, ângulo de Bake Rake
e ângulo de Side Rake
Tipos de brocas
Brocas PDC

• O mecanismo de corte das brocas PDC é por cisalhamento.
Por seu desenho hidráulico, seus cortadores em forma de
pastilha e por seus bons resultados na perfuração rotativa,
este tipo de broca tem sido muito usado na perfuração de
poços de petróleo. Também apresenta muitas vantagens
econômicas por sua versatilidade.
Mecanismo de Cisalhamento da Formação
Tipos de brocas
Brocas PDC

• Por seu desenho e características, as brocas PDC contam com
uma grande gama de tipos e fabricantes, especiais para cada
tipo de formação, desde formações muito moles até muito
duras, e em diferentes diâmetros de acordo com o projeto de
cada poço. Além disso, estas brocas podem rodar a altas
velocidades, podendo ser utilizadas com motores de fundo ou
turbinas, com diferentes pesos sobre a broca.
Tipos de brocas
Brocas PDC

• É a evolução da broca de diamante. Possuem seus elementos de
corte (cristais de diamante) impregnados na matriz de carboneto
de tungstênio. Geralmente utilizadas em rochas duras e abrasivas.
Devido à pequena exposição, tal qual nas brocas de diamante, a
impregnada necessita trabalhar a altas rotações para atingir taxas
de penetração significativas. São geralmente usadas com turbinas
ou motores de alta rotação. Projetadas de forma a ter cobertura
completa de diamante no fundo do poço. A ação de
esmerilhamento da formação a altas rotações acarreta a quebra da
cimentação entre os grãos da rocha. Durante a perfuração, com o
desgaste da broca, novos cristais de diamantes impregnados na
matriz se expõem continuamente ao ambiente de perfuração
mantendo a estrutura de corte afiada.
Tipos de brocas
Brocas Impregnadas

• Broca impregnada desgastada mostrando os cristais de diamante
expostos
Tipos de brocas
Brocas Impregnadas

• Existe uma infinidade de variáveis quanto a perfis, estrutura dos
cristais de diamante e matrizes de brocas impregnadas. Há que
se planejar bem a aplicação destas brocas uma vez que é
necessário que se desgastem para que se exponham novos
cristais de diamante e se atinjam resultados satisfatórios de
taxa de penetração, porém, há que se estudar sempre o
impacto das variáveis na durabilidade da broca.
Tipos de brocas
Brocas Impregnadas

Tipos de brocas
Brocas Impregnadas

Kinetic
(http://www.slb.com/services/drilling/drill_bits/kinetic.aspx)
Tipos de brocas
Brocas Impregnadas

• IADC desenvolveu um sistema de codificação para a
identificação das brocas de cortadores fixos que incluem todos
os tipos: Diamante natural, PDC e TSP. Este código consiste de 4
caracteres, 1 letra e 3 números, que descrevem sete
características básicas: tipo de cortadores, material do corpo da
broca, perfil da broca, desenho hidráulico para o fluido de
perfuração, distribuição do fluxo, tamanho dos cortadores e
densidade dos cortadores.
A N1 N2 N3
Tipos de brocas
Código IADC para broca de cortadores fixos

A: Identifica o tipo de corpo.
S – Corpo de aço;
M – Corpo de matrix.
Tipos de brocas

N1: Identifica a densidade dos cortadores.
Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou híbridas com
cortadores de PDC, a contagem é feita sobre um modelo
o side a doàaà o aàdeà8à½ à o à o tado esàdeà½ ,ài lusiveàosà
gage trimmers:
1 – 01 a 30 cortadores; 2 – 31 a 40 cortadores;
3 – 41 a 50 cortadores; 4 – mais de 50 cortadores.
Para brocas de diamantes naturais e TSP, considera-se apenas o
tamanho dos cortadores:
6 – pedras maiores que 3 ppq; 7 – pedras de 3 a 7 ppq;
8 – pedras menores que 7 ppq.
Tipos de brocas

N2: Identifica o tipo do cortador.
Para brocas de PDC, cortadores Mosaico ou Híbrido com
cortadores de PDC:
1 – PDCà aio à ueà àouà ;
2 – PDCàe t eà , àaà àouà àaà à ;
3 – PDCàe t eà , àaà , àouà8àaà ;
4 – PDCà e o à ueà , àouà8 .
Para brocas de diamantes naturais e TSP:
1 – Diamantes Naturais; 2 – Cortadores TSP;
3 – Híbridos TSP + diversos; 4 – Broca Impregnada.
Tipos de brocas

N3: Identifica o perfil da broca, quanto ao comprimento.
1 – Perfil raso;
2 – Perfil curto;
3 – Perfil médio;
4 – Perfil longo.
Tipos de brocas

• Em função da identificação com o código IADC existem pelo menos
5 aspectos fundamentais no desenho da broca de diamante: a
forma dos cortadores, os ângulos de inclinação lateral (side rake) e
de retardo (back rake), tipo de proteção do calibre e comprimento
da seção de calibre. Todos eles são importantes no
desenvolvimento de uma broca de diamante. O que se pretende
com o código IADC é dar uma idéia do tipo de broca e garantir que
se identifiquem facilmente suas principais características.
• Cabe notar que diferentemente do código IADC para brocas
tricônicas o Código IADC para Brocas de diamante não os
relacionam com o tipo de formação a perfurar. Unicamente se
pode identificar suas características mais elementares.
Tipos de brocas

• Brocas híbridas
Brocas que possuem tipos diferentes de elementos
cortantes com a finalidade de perfurar formações com
intercalações, combinando os processos de corte.
Outros tipos de brocas

• A broca abaixo (paper SPE 143686) combina os processos de
cisalhamento (PDC) e esmagamento (cones com insertos de
carboneto de tungstênio).
Broca Kymera
(www.baker.com)
Brocas Híbridas

• Brocas para uso com martelo (pneumático ou hidráulico):
Utilizadas com estes equipamentos aplicando o mecanismo da
percussão. Próprias para rochas duras.

• Brocas de Discos: Em desenvolvimento para rochas duras. Seu
mecanismo de corte é a formação de micro fissuras.
Referência: SPE 79798

Broca de micro-testemunhagem :
Utilização de uma broca de cortadores fixos com intuito de
melhorar a qualidade de amostras de calha, otimizando a
interpretação da rocha pela geologia sem onerar a taxa de
penetração.
Cascalhos de brocas impregnadas
Cascalhos de formação dútil / micro
testemunhos / cascalhos de formação frágil

Como funciona?
• Um cortador PDC é posicionado no cone
para remover o testemunho.
• Um cortador TSP é colocado na superfície
angular onde o testemunho é quebrado
para aumentar a resistência ao desgaste.
• Uma área de alívio é posicionada entre a
parede do testemunho e a superfície em
ângulo para facilitar a quebra.
Referência: IADC/SPE 115187

Detalhes da broca

• Coroas de testemunhagem: utilizadas nas operações de
testemunhagem, possuem um furo no centro que permite que
parte da formação não seja cortada pela broca. Esta parte,
chamada de testemunho, é posteriormente levada a superfície
para análise mais detalhada das formações.

• Sapata Cortante: Utilizadas nas operações de casing e liner
drilling. É uma adaptação das sapatas de revestimento. São
fabricadas com aletas e elementos cortantes de PDC.

Seqüência lógica para a seleção de uma broca:
a) Obter informações dos poços de prospecção: identificar o objetivo
do poço, diâmetro do poço, dados do intervalo a perfurar, tipo de
formação geológica, condições e requerimentos especiais do poço
incluindo restrições e indicadores da perfuração.
b) Selecionar a estrutura de corte identificando o tipo, tamanho,
densidade, distribuição e inclinação dos cortadores. Também
determinar o perfil e material do corpo da broca o qual influencia
na estabilização e agressividade durante a perfuração.
Seleção de brocas

Seqüência lógica para a seleção de uma broca:
c) Selecionar o desenho hidráulico: identificar a hidráulica
ótima para perfurar (vazão, densidade do fluido,
diâmetro dos jatos e os canais de fluxo entre as aletas)
com base na limpeza abaixo da broca e resfriamento da
broca.
d) Elaborar análise econômica: identificar o custo por
metro baseado na performance e na durabilidade da
broca.
Seleção de brocas

• Análise de históricos: A análise dos poços de correlação ajuda a
compreender as condições no fundo do poço, as limitações de sua
perfuração e, em alguns casos, a adequada seleção das brocas.
Esta análise começa com uma coleta de registros de brocas e
informação relacionadas com o poço. Deve-se ter a precaução de
que os registros das brocas sejam representativos do que será
perfurado no poço objetivo. As informações também devem ser
atualizadas e refletir os tipos de brocas recentes.
Seleção de brocas
Critérios para seleção de brocas

• Análise de históricos
Dados de poços de correlação:
• Litologia
• Tempo de trânsito
• Taxa de penetração
• Tempo de broca fundo
• Tipo de fluido
• Características de perfuração: com
ou sem motor
• UCS - Unconfined Compressive
Strength
Seleção de brocas
Tempo de Transito Médio Tempo de Broca Fundo
90 80 70 60 50 40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
40
90 120
10 50 100
1
2
1
/
4
Fluido
Conv.
Nitrog.
Perfura
C/ MF
S/ MF
2903
3853
01
IADC=517XW
8
1
/
2
02
04
PALER
MO
RIO
BONITO
2503
2713
TACIBA
CAMPO
MOURÃ
O
PONTA
GROSS
A
3900
3293
FURNAS
co m pro teção calibre
IADC=537G co m pro teção calibre
03
IADC=547MGL co m pro teção calibre
co m pro teção perna
05
para M o to r F undo
06
07
IADC=737YG
09
08
1
0
1
1
1
2
IADC=737YG
IADC=837YG
IADC=627MGL co m pro teção calibre
IADC=627GL co m pro teção calibre
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
20
IADC=537G
IADC=547MGL
IADC=547MGL
IADC=547MGL
IADC=737YG
IADC=837YG
IADC=737YG
IADC=627GL

• Objetivos de perfuração : É fundamental conhecer os objetivos da
perfuração, que incluem todo o tipo de requisitos especiais de
operação para perfurar o poço. Esta informação ajudará a
determinar as melhores características da broca que requer a
aplicação e concentrar seus esforços em satisfazer as necessidades
da companhia perfuradora e seus requisitos de perfuração.
Seleção de brocas

• Economia: O fator econômico é fundamental para a escolha de
determinadas brocas com relação às outras. O custo da broca
somente não deve determinar a sua escolha e sim sua relação com
a performance. A escolha das brocas que irão perfurar um
determinado intervalo deve levar em conta o menor custo por
metro.
• Direcional: O tipo de direcional é um critério importante para
selecionar as características de qualquer broca. Uma vantagem
específica das brocas de diamante é o seu grande alcance. Estes
tipos de poços, geralmente, tem seções homogêneas muito
prolongadas que são ótimas para as aplicações de brocas de
diamante. A densidade dos cortadores, a quantidade de canaletas,
o controle de vibração e o calibre da broca são parâmetros de
seleção fundamentais em poços direcionais.
Seleção de brocas

• Taxa de penetração: A taxa de penetração é uma indicação da
dureza da rocha; entretanto uma seleção de broca inadequada
pode ocultar as características de dureza da rocha. Isto é
particularmente válido quando se elege uma broca
demasiadamente dura para uma aplicação. A broca para
formações mais duras, devido a densidade de seus cortadores e da
projeção de seus dentes, tem um limite superior de coeficiente de
penetração. Geralmente, a medida em que se perfura mais fundo,
se espera utilizar brocas cada vez mais duras. A análise das
resistências das rochas tem revelado que este paradigma nem
sempre é valido e, em muitos casos, as brocas para formações
mais moles podem ser utilizadas com êxito em partes mais
profundas do poço.
Seleção de brocas

• Fluidos de perfuração: O tipo e a qualidade do fluido de
perfuração tem um efeito muito importante no rendimento da
broca. Os fluidos de perfuração com base óleo melhoram o
rendimento das estruturas de corte de PDC. O fluido de
perfuração a base água apresenta maiores problemas de limpeza
em função da reatividade das formações na fase aquosa do fluido
de perfuração.
Seleção de brocas

• Energia hidráulica: Esta energia proporciona a limpeza e o
resfriamento da broca. É referenciada em termos de cavalo de
força hidráulica por polegada quadrada de superfície (HSI). Uma
melhor utilização de energia hidráulica é feita por meio de
adequada seleção de brocas e parâmetros de operação. As brocas
de diamante devem funcionar de acordo com escalas hidráulicas
específicas para assegurar sua eficiente limpeza e esfriamento. O
índice de potência hidráulica (HSI) afeta o resfriamento da broca e
pode causar danos térmicos a estrutura dos cortadores. A falta de
limpeza em formações argilosas pode encere a broca provocando
um rendimento deficiente.
Seleção de brocas

• Restrições de parâmetros de perfuração (PSB e RPM): Alguns
parâmetros de operação geram restrições ao uso de um tipo ou
outro de broca.
– Limitações de peso sobre a broca: Quando se encontram situações de PSB
limitado, uma estrutura de corte eficiente como uma PDC tem possibilidade
de oferecer maior taxa de penetração que uma broca de cones.
– Velocidade de rotação (RPM): A velocidade que se espera utilizar na broca
indica os parâmetros de vibração e resistência que são necessários para
manter um desgaste controlado da broca e prolongar sua duração. As
brocas de diamante podem ser utilizadas melhor que as de cones em altas
velocidades de rotação.
Seleção de brocas

• Poços profundos: Estes poços podem resultar em um tempo de
manobra muito elevado. Como resultado, a eficiência de
perfuração é extremamente reduzida. Deve-se considerar uma
broca de diamante devido a maior duração da broca, reduzindo a
quantidade de manobras e melhorando a eficiência da perfuração.
• Poços de diâmetro reduzido: “eàoàpoçoàte à e osàdeà à½ ,àéà
necessária a redução física do tamanho dos rolamentos em todas
as brocas de cones. Estas limitações requerem uma limitação do
PSB. Deve-se considerar uma broca de diamante para aumentar a
taxa de penetração e para permanecer mais tempo no poço.
Seleção de brocas

• Aplicações com motor de fundo: Alguns motores funcionam a
altas velocidades (>250 RPM). O RPM excessivo aumenta a carga
térmica nos rolamentos e acelera as falhas da broca. Deve-se
considerar o uso de brocas de diamante que não possuem partes
móveis para otimizar o RPM e os objetivos de perfuração.
Seleção de brocas

• Litologia: Geralmente, a informação litológica é a primeira que se
necessita para determinar a melhor seleção. A definição dos tipos
de rochas ajudará a determinar o tipo de corte necessário para
vencer a sua resistência, a densidade requerida para os
cortadores, a configuração hidráulica estimar a duração da broca e
seu coeficiente de penetração.
• Tipo de rocha: Com dados precisos sobre as formações que serão
perfuradas no intervalo objetivo, poderão ser selecionadas com
mais facilidade a estrutura de corte ótima e a densidade que
requer a aplicação, quer seja broca tricônica ou de diamante.
Seleção de brocas

• Transição: Indica trocas de dureza da formação do
intervalo objetivo que provocara esforços diferenciados
no perfil da broca através da transição. As vibrações
axiais, de torção e laterais também são esperadas. A
qualidade e a densidade específica dos cortadores
constituirão o critério de seleção.
• Tendências de desvio: Normalmente isto se relaciona
com perfuração de transição. O tipo de calibre é o
critério de seleção fundamental para estas aplicações.
Seleção de brocas

• Formações fraturadas e/ou nodulares: Geralmente
neste tipo de formação não se pode utilizar a maioria das
brocas de diamante devido ao dano por impacto da
estrutura cortadora. Porém, existem estruturas
cortadoras que podem perfurar com eficiência nestas
aplicações.
• Homogeneidade: Existe mais flexibilidade de seleção
com respeito a características agressivas da broca, como
menor densidade dos cortadores. Para as brocas
tricônicas somente basta escolhê-las de acordo com a
dureza da rocha.
Seleção de brocas

• Vibração: A vibração no processo de perfuração tem se
demonstrado fundamental no rendimento e na duração das
brocas de perfuração. Na realidade, o controle das vibrações
forma, na atualidade, parte integral da tecnologia e projeto das
brocas. Existem parâmetros de seleção das brocas que se referem
especialmente ao controle de vibração. A seleção do calibre da
broca também desempenha função importante para determinar o
nível de controle de vibração, seja ela tricônica ou de diamante.
Seleção de brocas

• Curvas de confiabilidade de brocas com partes móveis: Estas
curvas são fornecidas pelos fabricantes de brocas de cones. Elas
fornecem uma probabilidade de vida útil de uma broca de cones
em função do número de revoluções. Observa-se na figura a seguir
ueàaà o aà8à½ àMXLàte à8 %àdeàp o a ilidadeàdeàal a ça à
600,000 revoluções, desde que trabalhe dentro do range de peso
sobre broca sugerido pelo fabricante (ver Drill Bit Classifier) e
perfure formações com dureza e abrasividade compatíveis.
Seleção de brocas

• Curvas de confiabilidade de brocas com partes móveis:
Seleção de brocas

• Perfis geofísicos:
Os registros geofísicos dos poços são uma importante fonte de
informação sobre as características das formações que se
perfuram. Existe uma grande variedade, cada um projetado para
medir diferentes propriedades das rochas. Os registros necessários
são:
– Registro Neutrônico – NPHI
– Registro de Raios Gama – GR
– Registro sônico – DT
– Registro de Densidade – RHOB
– Potencial espontâneo – SP
– Indução – ILD
– Análise da resistência à compressão – UCS e CCS
Seleção de brocas

• Análise da resistência à compressão: É um método qualitativo,
para calcular a dureza da rocha. Antigamente a análise da dureza
das rochas baseava-se no uso do registro da velocidade das ondas
sonoras, obtidas de registros sônicos, como meio de representar
pela medição direta o calculo da dureza. Hoje, existem programas
para obter o valor correspondente a resistência à compressão de
rochas não confinadas, pressão atmosférica, usando a informação
da velocidade sônica para computar um valor correspondente a
dureza da rocha não confinada. Embora este enfoque seja melhor
que usar diretamente as velocidades sônicas, o cálculo da dureza
de rochas não confinadas, assim obtido, é freqüentemente muito
mais baixo que o das rochas confinadas. A resistência da rocha não
confinada é sua dureza na pressão atmosférica.
Seleção de brocas
Seleção por perfis geofísicos

• Análise da
resistência à
compressão
Seleção de brocas

• Análise da resistência à compressão (cont): Alguns pesquisadores
têm estudado a relação entre resistência compressiva e o tempo
de trânsito das formações. Chandong Chang (2004) publicou um
trabalho que apresenta várias destas correlações. Para o cálculo da
resistência compressiva não confinada (UCS) sugere-se utilizar
para arenito a correlação de McNally. Para folhelho sugere-se a
correlação de Horsrud. Já para carbonato existe uma tendência de
usar a correlação de Militzer e Stoll, apesar dos dados de
carbonatos variarem muito.
Seleção de brocas

• Análise da resistência à compressão (cont):
Correlação ode McNally para arenito é a seguinte:
Correlação de Horsrud para folhelho é a seguinte:
Correlação de Militzer e Stoll para carbonato é a seguinte:
o de:àUC“àe àMpa,àΔtàe àμseg/pé,àEàe àGPaà pa aà o ve te àMpaà
em psi deve-se multiplicar por 145).
Seleção de brocas

Exemplo:
Considere que as leitura de um perfil de tempo de trânsito em um
arenito é de 50 μseg/pé. Qual é a resistência compressiva desta
formação segundo a correlação de McNally?
Seleção de brocas

Exemplo: Considere que as leitura de um perfil de tempo de
trânsito em um arenito é de 50 μseg/pé. Qual é a resistência
compressiva desta formação segundo a correlação de McNally?
o de:àUC“àe àMpa,àΔtàe àμseg/pé,àEàe àGPaà pa aà o ve te à
Mpa em psi deve-se multiplicar por 145).
Obs: Pela tabela do próximo slide é uma rocha dura.
Seleção de brocas
)
036
,
0
exp(
1200 t
UCS 


psi
MPa
UCS 28762
198
)
50
036
,
0
exp(
1200 





• Análise da resistência à compressão
Seleção de brocas
Dureza UCS (psi) Perfurabilidade e tipo de formação
Soft and soft sticky < 1000 Low compressive strength and high drillability, such
as clay, marl, gumbo, unconsolidated sand.
Soft-Medium 1000 – 4000 Low compressive strength, inter-bedded with hard
layers, such as sand, shale, anhydrate.
Medium 4000 – 8000 Moderate compressive strength, such as shale,
chalk, anhydrite, sand.
Medium-Hard 8000 – 17000 Dense with increasing compressive strength but
non- or semi-abrasive, eg., shale, siltstone, sand,
lime, anhydrate.
Hard 17000 – 27000 Hard and dense with high compressive strength
and some abrasive layers, such as sand, siltstone.
Extremely Hard > 27000 Very hard and abrasive, like quartzite, volcanic.

• A utilização deste classificador de broca é muito útil. Consiste de
uma tabela com as brocas de todos os fabricantes correlacionadas
pelo código IADC, com informações de diâmetros disponíveis,
range recomendado de parâmetros mecânicos WOB e RPM, e
características especiais de uso (por exemplo: com ou sem motor
de fundo).
• Este classificador é publicado todos os anos pela revista World Oil
e pode ser usado para auxiliar na melhor seleção de brocas,
comparando as brocas de todos os fornecedores.
Drill Bit Classifier
Seleção de brocas

Seleção dos jatos
• Papel dos Jatos da Broca
– Aumentar a capacidade de limpeza do fluido
de perfuração no fundo do poço
– Remover os fragmentos de rocha, contribuindo
para o aumento da vida útil da broca
• Dimensionamento dos Jatos de Broca
– Otimizar a taxa de penetração e a vida útil da
broca
– Compatível com os recursos disponíveis e com
o projeto e planejamento do poço

Equação de Bernoulli ao longo de uma linha de corrente
constante
2g
v
z
g
p 2




p0 v0
p1 vn 2
v
p
2
v
p 2
n
1
2
0
0




 2
v
p
2
n
b 


Considerando o Coeficiente de Descarga Cd
2
d
2
n
b
2C
v
p 


Normalmente a broca tem 3 ou mais jatos.
Assim, como pb é igual para todo jato:
j
j
2
2
1
1
n
A
q
...
A
q
A
q
v 



2
d
2
t
2
b
C
2A
q
p 


 
j
2
1
n
j
2
1 A
...
A
A
v
q
..
.
q
q 






2
2
d
2
-5
b
C
q
8,311x10
p
t
A



Seleção dos jatos

• Definições
– Potência Hidráulica
– Força de Impacto
• Critérios de Dimensionamento
– Maximizar Potência Hidráulica
– Maximizar Força de Impacto na Broca
1714
p
q
P b
h


b
d
j p
q
C
01823
,
0
F 
 
Seleção dos jatos

Entrada Saída
p na superfície - ps
p através dos tubos de perfuração - pdp
p através dos comandos de perfuração - pdc
p através dos jatos da broca - pb
p através do anular entre os comandos de
perfuração e o poço - pdca
p através do anular entre os tubos de
perfuração e o poço - pdpa
Seleção dos jatos

• Pressão de Bombeio e as perdas por Fricção
– Denominando-se de Perdas Parasitas (pd)
– Assim, a pressão de bombeio fica definida por
– Normalmente as perdas parasitas são modeladas
por cqm
dpa
dca
b
dc
dp
s
p p
p
p
p
p
p
p 











dpa
dca
dc
dp
s
d p
p
p
p
p
p 










d
b
p p
p
p 



m
b
p cq
p
p 


c é uma constante expoente m fica próximo a 1,75
Seleção dos jatos

• Critério da Máxima Potência Hidráulica na Broca
q
pp

h
P
 
0
1714
cq
1
m
p
dq
dP
m
p
h




0
dq
P
d
2
h
2

  m
p cq
1
m
p 

1
m
p
p p
d



1
m
mp
p p
b



p
d p
36
,
0
p 

p
b p
64
,
0
p 

para m=1,75
ponto de
máximo
 
1714
cq
p
q
1714
p
q
P
m
p
b
h



 na broca
na bomba
Seleção dos jatos

• Critério da Máxima Força de Impacto Hidráulico
na Broca
 
 
 
0
cq
q
p
cq
2
m
q
2p
0,009115C
dq
dF
5
.
0
2
m
2
p
1
m
p
d
j








0
dq
F
d
2
j
2

  m
p cq
2
2
m
p


2
m
2p
p p
d



2
m
mp
p p
b



p
d p
53
,
0
p 

p
b p
47
,
0
p 

para m=1,75
ponto de
máximo
  5
,
0
2
m
2
p
d
b
d
j cq
q
p
C
01823
,
0
p
q
C
01823
,
0
F 



 

   
1
j
F
K
v
q
v
t
m
t
v
m n















b
2
n
p
v

 d
C
K
Seleção dos jatos

– Otimização (Máxima Pressão de Bombeio)
• Considerar as profundidades de entrada e saída (projeto e
execução)
• As perdas parasitas vão aumentar com o aumento da
profundidade
– Profundidade de Entrada
• pb mais próximo a 64% do total (Potência Hidráulica)
• Vazão máxima do trecho perfurado por esta broca
– Profundidade de Saída
• pb mais próximo a 47% do total (Força de Impacto)
• Vazão mínima do trecho perfurado por esta broca
– Vazões devem propiciar limpeza de sólidos
• Qmin > Valor Mínimo a Promover Limpeza
Entrada Saída
Seleção dos jatos

Exemplo
• Determine a pressão de operação da bomba e os jatos da broca,
otimizando a força de impacto hidráulico.
O sondador registrou na última corrida, para uma lama de 9,6 lb/gal
e com 3 jatos de 12/32 pol, as seguintes informações:
Q1 = 485 gpm -> Pp1 = 2800 psig
Q2 = 247 gpm -> Pp2 = 900 psig
A bomba tem 1250 hp de potência e uma eficiência volumétrica igual a
0,91.
A vazão mínima para carreamento de cascalhos é 225 gpm.
A pressão máxima na superfície é de 3000 psig.
A densidade da lama permanecerá a mesma.
Seleção dos jatos

Exemplo (Solução)
– A perda de carga na broca é calculada para cada uma das vazões
registradas:
2
2
d
2
-5
b
C
q
8,311x10
p
t
A



psig
x
x
1894
32
12
4
3
0,95
485
6
,
9
8,311x10
p 2
2
2
2
-5
b1 

















psig
x
x
491
32
12
4
3
0,95
247
6
,
9
8,311x10
p 2
2
2
2
-5
b2 

















Seleção dos jatos

– As perdas parasitas nas vazões registradas são:
– Estes 2 pontos são plotados contra a vazão em um gráfico log-log para
obter o valor de m.
b
p p
p 



 d
p
psig
906
1894
2800
pd1 



psig
409
491
900
pd2 



 
 
 
 
2
,
1
18
,
1
247
/
485
log
409
/
906
log
/
log
/
log
2
1
2
1






Q
Q
p
p
m d
d
Seleção dos jatos

– O caminho hidráulico ótimo é dado a seguir:
Intervalo 1:
Intervalo 2:
Intervalo 3:
gpm
p
E
P
q HP
650
3000
)
91
,
0
)(
1250
(
1714
1714
max
max 


psig
p
m
pd 1875
)
3000
(
2
2
,
1
2
2
2
max 





gpm
q 225
min 
Seleção dos jatos

– Observa-se no gráfico que a interseção da linha das perdas
parasitas e o caminho ótimo acontece no Intervalo I. Portanto, a
partir do gráfico tem-se que a condição ótima para Força de
Impacto Hidráulico é uma vazão de 650 gpm e uma perda parasita
de 1300 psi.
– Considerando a máxima pressão na superfície de 3000 psi, tem-se
que a ótima perda de carga nos jatos é de 1700 psi (3000 - 1300).
– Portanto, a área ótima dos jatos é dada por:
  2
2
2
5
2
2
5
47
,
0
)
1700
(
)
95
,
0
(
)
650
)(
6
,
9
(
10
311
,
8
10
311
,
8
pol
x
p
C
Q
x
A
bopt
d
opt
t 






Seleção dos jatos

• Os fatores que afetam o desgaste das brocas podem ser divididos
em:
– geológicos
– de operação
– de manejo e transporte
Os dois últimos parâmetros podem ser evitados, porém o
primeiro deve ser bem estudado antes da definição do tipo de
broca a ser utilizado.
Desgaste das brocas
Fatores que afetam o desgaste das brocas

• Fatores geológicos: É o mais importante na seleção e operação de
uma broca. O conhecimento da geologia significa saber as
propriedades físicas da formação. Pode-se destacar:
– Abrasividade: A composição de abrasivos na constituição da
rocha é a causa de desgaste prematuro em todas as estruturas
de uma broca. O calibre é o parâmetro mais afetado.
– Resistência especifica da rocha: Está relacionada com a
litologia e os eventos geológicos que foram experimentados.
Existem rochas que foram confinadas a grandes profundidades
e posteriormente ficaram a profundidades menores devido a
levantamentos tectônicos. Por isto, são mais compactas que as
de tipos similares, mas que não trocaram de profundidade ao
longo do tempo. A resistência especifica da rocha também
depende da cimentação dos grãos, forma e tamanho.
Desgaste das brocas

• Fatores de operação: Devem ser definidos de acordo com a
geologia e com a geometria do poço. Podem ser modificados em
campo de acordo com o desempenho observado. Os principais
fatores de operação e as conseqüências inerentes a uma seleção
inadequada são:
– Peso sobre a broca
– Velocidade de Rotação
– Limpeza do fundo do poço
– Geometria do poço
Desgaste das brocas

• Fatores de operação:
– Peso sobre a broca: À medida que a broca perfura, os dentes
ou cortadores se desgastam, e geralmente se aplica cada vez
mais peso. Este aumento de peso pode ser feito ate chegar a
uma taxa de penetração adequada ou a um limite prescrito nas
recomendações de operação da broca, caso contrário, a broca
terá um desgaste prematuro, seja ela de cones ou de diamante.
Desgaste das brocas

– Velocidade de Rotação (RPM): A alta RPM, por si só, não limita
o funcionamento das brocas, já que por seu desenho podem
ser usadas com motor de fundo ou turbina. Existem brocas de
tricônicas especiais para altas RPM. O projeto específico
consiste em melhorias no sistema de rolamento, hidráulica,
recobrimento de carboneto de tungstênio para proteger contra
a abrasão, selo e graxa para operar em condições de alta
temperatura com segurança. A RPM mais adequada é aquela
que produz uma máxima ROP sem causar problemas. Deve-se
observar que em formações moles um aumento na RPM
resulta em um aumento proporcional da ROP. É possível que
em algumas formações mais duras ocorra o contrário.
Desgaste das brocas

– Limpeza do fundo do poço: A limpeza do fundo do poço é um
dos fatores que afetam o desgaste da broca, por isso é que o
fluido de perfuração limpa o poço e carrega os cascalhos. Desta
maneira, evita-se que a broca encere ou retrabalhe os
cascalhos. Também efetua o resfriamento dos dentes ou
cortadores e lubrifica a broca evitando assim o desgaste.
– Geometria do poço: Em função da experiência, em certas
situações como a de desviar um poço, é necessário utilizar
condições de operação não recomendáveis de PSB e RPM para
aumentar, diminuir ou manter o ângulo. Nestes casos o
desgaste prematuro das brocas pode ser inevitável.
Desgaste das brocas

• Manejo e Transporte: Outro fator não menos importante de
desgaste das brocas é o manejo e transporte. Sem importar o tipo
de broca, de cones ou de diamante, deve trabalhar-se sob certos
cuidados. Por exemplo, após retirar a broca da caixa, deve-se
colocá-la sobre madeira ou alguma forma de borracha, porque no
caso das brocas de diamante os cortadores são muito frágeis e
podem lascar facilmente. Se a broca cair por descuido e alguns
dentes ou cortadores se rompem é possível que diminua
drasticamente sua duração.
Desgaste das brocas

• A análise e avaliação de cada broca usada pode ser de muita
utilidade para decidir o tipo de broca a ser utilizada
posteriormente e se a prática de operação deve ser modificada. É
um dos fatores mais importantes para a otimização da perfuração
em um campo de petróleo em desenvolvimento. Quem aprende a
ler o desgaste de cada broca e entenda bem o que significa o seu
aspecto, pode obter o máximo rendimento em cada uma delas.
• A informação que se obtém ao avaliar o desgaste das brocas pode
ser muito significativa. Este valor foi reconhecido pela IADC, que
estabeleceu um sistema mundial para avaliar o desgaste de
brocas, similar ao código de classificação de brocas, de modo que
qualquer pessoa possa intuir o estado em que estava a broca após
sua retirada do poço.
Desgaste das brocas
Avaliação do desgaste de brocas

• O sistema de avaliação de desgaste pode ser utilizado em todos os
tipos de brocas: de cones, diamante natural, PDC, TSP,
impregnadas, coroas e outras.
• A tabela de avaliação de desgaste adotada pelo IADC inclui todos
os códigos necessários para analisar o desgaste tanto de brocas de
cones como brocas de cortadores fixos. A avaliação é resumida em
8 campos alfanuméricos: N1 N2 A3 A4 A5 N6 A7 A8
Desgaste das brocas

• A codificação enfoca os 4 aspectos da broca: estrutura de corte,
rolamentos, calibre, e motivo da retirada.
• N1 e N2 (I e O) variam de 0 a 8 de acordo com o desgaste dos
dentes, insertos ou cortadores fixos das fileiras interiores e
exteriores.. Comparada com o tamanho original do dente ou do
cortador, os números aumentam com a quantidade de desgaste, o
zero representa sem desgaste e o 8 representa desgaste total. O
raio da broca será dividido em 3 partes; 2/3 internos serão
classificados em N1, o 1/3 externo será classificado em N2; supõe-
se que a vida útil total da broca estará vinculada ao desgaste total
dos insertos ou dentes; divide-se a altura da estrutura cortante em
oito, e o desgaste em frações de 1/8 da altura serão distribuídos a
N1 e N2. Registra-se o valor médio de desgaste.
Desgaste das brocas

• A3 e A4 (D e L) são caracteres alfanuméricos, e indicam
características e localização do desgaste principal. A característica
principal do desgaste refere-se ao motivo que limitou a vida da
broca. A localização visa apontar o ponto da broca onde ficou
caracterizado o desgaste principal.
• A5 (B) é um caractere alfanumérico que se refere ao estado dos
rolamentos e selos de vedação. Para rolamentos não-selados a
avaliação é semelhante à da estrutura de corte, atribuindo um
número de 0 a 8 para a vida útil; que será atribuído pela
experiência de quem classifica a broca, gerando resultados
subjetivos. Para os selados a avaliação aferi apenas se os selos
falharam, determinado o fim da vida útil da broca. Nas brocas de
cortadores fixos, como não há rolamentos, atribui-se um X.
Desgaste das brocas

• N6 (G) é um número expresso em frações de 1/16 de polegada e
indica o calibre da broca. Registra-seà I àseàaà o aàpe a e eà
calibrada, do contrário registra-se o quão fora do calibre a broca
est àutiliza doàu aà edidaàdeà / .
• A7 (O) é um caractere alfanumérico para anotar características de
desgaste da broca, ou seja, as mudanças físicas mais notórias
desde sua condição nova, como podem ser: jato perdido, cone
quebrado, interferência entre cones, etc.
• A8 (R) é um caractere alfanumérico utilizado para registrar a razão
de saída da broca.
Desgaste das brocas

• Outro ponto fundamental para a análise dos registros da broca são
dados como: profundidade de início e término de perfuração,
condições de operação, jatos utilizados, tempo de perfuração, etc.
Incluem-se ainda as observações das condições de operação da
broca, que em muitos casos são especiais, como:
– Inicio de desvio;
– Manter, incrementar ou reduzir ângulo;
– Velocidade de perfuração controlada por perda de circulação, troca de
formação, etc;
– Utilização de motor de fundo, turbina;
– Perfurar com perda total de circulação;
– Perfurar com presença de H2S;
– Perfurar sem condições ótimas, como incapacidade do equipamento de
perfuração, as revoluções por minutos, etc.
Desgaste das brocas

• Com as observações mencionadas acima, teremos um melhor
critério para avaliar o desgaste e não sacrificaremos o uso de um
tipo de broca que tenha sido selecionada corretamente. Isto
poderia ocorrer no caso de uma broca de cones que tenha sido
usada para iniciar a desviar e ao avaliá-la tenha um desgaste
excessivo. Nos rolamentos em que os metros perfurados sejam
poucos, neste caso, a simples inspeção suporia que a broca obteve
um baixo rendimento, mas na realidade a mesma foi utilizada em
operações drásticas com fim especifico.
Desgaste das brocas

Desgaste das brocas
CODIFICAÇÃO DOS DESGASTES DE BROCA
D R 0 Observações
Estrutura Cortante Desgaste Principal Rolamento
ou Calibre Outro
Motivo
da
Interna Externa Característica Localização Selos 1/16” Desgaste Retirada
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
(1) ESTRUTURA CORTANTE - INTERNA (2) ESTRUTURA CORTANTE - EXTERNA
2/3 Internos da Estrutura Cortante 1/3 Externo da Estrutura Cortante
BROCAS DENTE DE AÇO - Uma medida linear do
desgaste dos dentes devido à abrasão ou dano.
0 - nenhum desgaste da estrutura cortante
8 - desgaste total da estrutura cortante
BROCAS DE INSERTO - Uma medida
linear de perda, desgaste ou quebra dos
insertos.
0- nenhuma perda, desgaste e/ou
quebra de insertos.
8- todos os insertos perdidos, desgastados
e/ou quebrados.
BROCAS DE DIAMANTE, PDC E TSP
Uma medida linear da perda, desgaste ou
quebra dos cortadores.
0- nenhuma perda, desgaste e/ou quebra dos
cortadores.
8- todos os cortadores perdidos, desgastados
e/ou quebrados
(3) DESGASTE PRINCIPAL (Estes códigos
também são usados para a coluna (7))
Inglês-Português - Por extenso em Português
(4) LOCALIZAÇÃO
BROCAS TRICÔNICAS
(6) CALIBRE
0 = Nenhuma perda de calibre
1 = 1/16” de perda de calibre
2 = 2/16” de perda de calibre...
**RR RR Broca Reutilizável N I Fileira Interna (8) MOTIVO DE RETIRADA DA BROCA
*CD TR- Cone Travado M M Fileira do Meio BHA MB Para mudança de BHA
BC CQ Cone Quebrado G E Fileira Externa BU EN Broca Encerada
BL PQ Perna Quebrada A T Todas as Fileiras CM CL Para Condicionar Lama
BT DQ Dentes Quebrados CM CM Aumento do Custo/Metro
BT IQ Insertos/Cortadores Quebrados BROCAS DE DIAMANTE CP MP Mudança de Projeto
BU EN Desgaste por Enceramento C C Cone CP TE Para Testemunhar
CC CT Cone Trincado N N Nariz (nose) CT DP Cortou cimento
CI CI Cone com Interferência T P Pescoço (taper) DMF FM Falha de motor de fundo
CR DT- Cone c/Desgaste p/Testemunho S O Ombro (shoulder) DSF FC Falha da Coluna
CT DL Dentes Lascados G G Calibre (gage) DST TF- Para Teste de Formação
CT IL Insertos/Cortadores Lascados A T Todas as Áreas DTF FF Falha da ferramenta de fundo
ER CE Cone Erodido FM MF Mudança de Formação
FC DP Desgaste Plano nos Dentes CONE # OU CONES # ‘s FP FO Para foto
HC TT Trinca no inserto ou desintegração
do Cortador p/Temperatura
BROCAS TRICÔNICAS HP PP Problemas do Poço
JD MF Marca de Ferro 1 HR BF Tempo de Broca Fundo
JD MI Marca de Inserto 2 HR DU Por Dúvida
LC CP Cone Perdido 3 LIH --- Perdeu no poço
LN JP Jato Perdido LOG PE Para Perfilagem
LT IP Insertos/Cortadores Perdidos (5) ROLAMENTOS ou SELOS PN JO Jato Obstruído
NO NC Nenhuma Característica de
Desgaste
ROLAMENTOS NÃO SELADOS PP --- Por Queda de Pressão
OC IG Insertos/Cortadores Girados Uma escala linear estimando a vida útil do
rolamento já utilizado
PR TP Por Taxa de Penetração
PB PE Perna Empenada RIG RS Reparo de Sonda
PN BE Bocal do Jato Erodido Ex: 0 = nenhuma vida utilizada TD PF Profundidade Final do Poço
ou Fase
QC CD Cone c/ desgaste descentralizado 8 = toda vida útil utilizada TQ TO Por Torque
RG CA Cone com calibre arredondado TW RD Reversão com Desconexão
RO MA Marca em forma de anel ROLAMENTOS SELADOS WC AM Aguardar Melhoria de Tempo
SD AD Aba de Perna Desgastada E E Indica Todos os Selos Efetivos WO --- Furo na Coluna
SP AQ Aba da Perna Quebrada F F Indica Um ou Mais Selos Falhos
SS AA Desgaste por Auto-Afiação X D Indica Broca de Diamante
TR EG- Desgaste por Engrenagem
WO WO Wash Out na Broca
WT DD Dentes Desgastados
WT ID Insertos/Cortadores Desgastados
* Indique o Cone # ou cones #’ ‘s na coluna de localização
**Apenas para a coluna (7)
Codificação de
desgaste de brocas

Desgaste das brocas

• N1: (I) Inner Rows (estrutura cortante interna)
• N2: (O) Outer Rows (estrutura cortante externa)
• A3: (D) Dull Characteristics (desgaste principal)
• A4: (L) Location (localização)
• A5: (B) Bearings / Seals (rolamentos ou selos)
• N6: (G) Gauge (calibre)
• A7: (O) Other Dull Characteristics (outro desgaste)
• A8: (R) Reason Pulled (motivo da retirada)
Desgaste das brocas
Avaliação do Desgaste
N1 N2 A3 A4 A5 N6 A7 A8

Broca de Cones
(N1 ou I) fileiras internas / Inner Rows e
(N2 ou O) fileiras externas / Outer Rows
Escala de desgaste dos dentes
Desgaste das brocas

Broca de Cones - (N1 o u I) e (N2 ou O)
Desgaste das brocas

Desgaste das brocas
Broca de Cones - (N1 o u I) e (N2 ou O)

**RR RR Broca Reutilizável
*CD TR Cone Travado
BC CQ Cone Quebrado
BL PQ Perna Quebrada
BT DQ Dentes Quebrados
BT IQ Insertos/Cortadores Quebrados
BU EM Desgaste por Enceramento
CC CT Cone Trincado
CI CI Cone com Interferência
CR DT Cone c/Desgaste p/Testemunho
CT DL Dentes Lascados
CT IL Insertos/Cortadores Lascados
ER CE Cone Erodido
FC DP Desgaste Plano nos Dentes
JD MF Marca de Ferro
JD MI Marca de Inserto
LC CP Cone Perdido
LN JP Jato Perdido
LT IP Insertos/Cortadores Perdidos
Desgaste
OC IG Insertos/Cortadores Girados
PB PE Perna Empenada
PN BE Bocal do Jato Erodido
QC CD Cone c/ desgaste descentralizado
RG CA Cone com calibre arredondado
RO MA Marca em forma de anel
SD AD Aba de Perna Desgastada
SP AQ Aba da Perna Quebrada
SS AA Desgaste por Auto-Afiação
TR EG Desgaste por Engrenagem
(*) Indique o cone # ou cones #’s na coluna
de localização (A4 ou L))
(**) Apenas para a coluna A7 ou O
Desgaste das brocas
Brocas de Cones
(A3 ou D) Desgaste Principal / Dull Characteristics

Brocas de Cones
Desgaste das brocas

BROCAS TRICÔNICAS
N I Fileira Interna
M M Fileira do Meio
G E Fileira Externa
A T Todas as Fileiras
CONE # OU CONES # ‘s
BROCAS TRICÔNICAS
1
2
3
Desgaste das brocas
Brocas de Cones
(A4 ou L) Locação / Location

ROLAMENTOS NÃO SELADOS
Uma escala linear estimando a vida útil do rolamento já utilizado.
Ex: 0 = nenhuma vida utilizada
8 = toda vida útil utilizada
ROLAMENTOS SELADOS
E E Indica Todos os Selos Efetivos
F F Indica Um ou Mais Selos Falhos
X D Indica Broca de Diamante
Desgaste das brocas
Brocas de Cones
(A5 ou B) Rolamentos ou Selos / Bearings and Seals

Broca de Cones
(N6 ou G) Calibre / Gauge
Desgaste das brocas

0 = Nenhuma perda de calibre
= / 6” de perda de ali re
= / 6” de perda de ali re ...
Desgaste das brocas
Broca de Cones

**RR RR Broca Reutilizável
*CD TR- Cone Travado
BC CQ Cone Quebrado
BL PQ Perna Quebrada
BT DQ Dentes Quebrados
BT IQ Insertos/Cortadores Quebrados
BU EN Desgaste por Enceramento
CC CT Cone Trincado
CI CI Cone com Interferência
CR DT- Cone c/Desgaste p/Testemunho
CT DL Dentes Lascados
CT IL Insertos/Cortadores Lascados
ER CE Cone Erodido
FC DP Desgaste Plano nos Dentes
JD MF Marca de Ferro
JD MI Marca de Inserto
LC CP Cone Perdido
LN JP Jato Perdido
LT IP Insertos/Cortadores Perdidos
Desgaste
OC IG Insertos/Cortadores Girados
PB PE Perna Empenada
PN BE Bocal do Jato Erodido
QC CD Cone c/ desgaste descentralizado
RG CA Cone com calibre arredondado
RO MA Marca em forma de anel
SD AD Aba de Perna Desgastada
SP AQ Aba da Perna Quebrada
SS AA Desgaste por Auto-Afiação
TR EG- Desgaste por Engrenagem
Desgaste das brocas
Broca de Cones
(A7 ou O) Desgaste Secundário / Other Dull Characteristics
(*) Indique o cone # ou cones #’s na
coluna de localização (A4 ou L))
(**) Apenas para a coluna A7 ou O

Desgaste das brocas
Broca de Cones

BHA MB Para mudança de BHA
BU EN Broca Encerada
CM CL Para Condicionar Lama
CM CM Aumento do Custo/Metro
CP MP Mudança de Projeto
CP TE Para Testemunhar
CT DP Cortou cimento
DMF FM Falha de motor de fundo
DSF FC Falha da Coluna
DST TF- Para Teste de Formação
DTF FF Falha da ferramenta de fundo
FM MF Mudança de Formação
FP FO Para foto
HP PP Problemas do Poço
HR BF Tempo de Broca Fundo
HR DU Por Dúvida
LIH --- Perdeu no poço
LOG PE Para Perfilagem
PN JO Jato Obstruído
PP --- Por Queda de Pressão
PR TP Por Taxa de Penetração
RIG RS Reparo de Sonda
TD PF Profundidade Final do Poço
ou Fase
TQ TO Por Torque
TW RD Reversão com Desconexão
WC AM Aguardar Melhoria de Tempo
WO --- Furo na Coluna
Desgaste das brocas
Brocas de Cones
(A8 ou R) Motivo para retirada / Reason Pulled

Desgaste das brocas
Brocas de Cones
(A8 ou R) Motivo para retirada / Reason Pulled

Brocas de Cones
BC – Broken Cone / CQ – Cone Quebrado
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
BT – Broken Teeth / DQ – Dentes Quebrados
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
BU – Balled Up / EN – Desgaste por Enceramento
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
CC – Cracked Cone / CT – Cone Trincado
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
CD – Cone Dragged / TR – Cone Travado
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
CI – Cone Interference / CI – Cone com Interferência
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
CR – Cored / DT – Desgaste por Testemunho
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
CT – Chipped Teeth / IL –Insertos ou Cortadores Lascados
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
ER – Erosion / CE – Cone Erodido
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
FC – Flat Crested Wear / DP – Desgaste Plano nos dentes
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
HC – Heat Checking / TT – Trinca no Inserto ou
Desintegração
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
JD – Junk Damage / MI – Marca de Inserto
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
LC – Lost Cone / CP – Cone Perdido
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
LN – Lost Nozzle / JP – Jato Perdido
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
LT – Lost Teeth / IP – Insertos ou Cortadores Perdidos
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
OC – Off Center Wear / IG – Insertos ou Cortadores Girados
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
PB – Pinched Bit / PE – Perna Empenada
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
PN – Plugged Nozzle / BE – Bocal do Jato Erodido
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
RG – Rounded Gauge / CA – Cone com Calibre Arredondado
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
SD– Shirttail Damage / AD – Aba da Perna Desgastada
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
SS– Self Sharpening Wear / AA – Auto Afiação
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
TR– Tracking / EG – Desgaste por Engrenagem
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
WO – Washed Out Bit / WO – Wash out na Broca
Desgaste das brocas

Brocas de Cones
WT – Worn Teeth / ID – Insertos ou Cortadores Desgastados
Desgaste das brocas

Brocas de Cortadores Fixos
Desgaste das brocas

(N1 ou I) Fileiras Internas / Inner Rows e
(N2 ou O) Fileiras Externas / Outer Rows
Desgaste das brocas

Desgaste das brocas
(N1 ou I) Fileiras Internas / Inner Rows e
(N2 ou O) Fileiras Externas / Outer Rows

Desgaste das brocas

(A4 ou L) Locação / Location
BROCAS DE DIAMANTE
C C Cone
N N Nariz (nose)
T P Pescoço (taper)
S O Ombro (shoulder)
G G Calibre (gage)
A T Todas as Áreas
Desgaste das brocas

X D Indica Broca de Diamante
Desgaste das brocas
(A5 ou B) Rolamentos ou Selos / Bearings and Seals

Broca no calibre – “IN”
Broca fora do calibre – 1/16th pol
Broca Bi-Center: Procedimento Abaixo
Gauge Diameter = Shank Diam. 2 x Reamer Height
Desgaste das brocas

Desgaste das brocas

(A8 ou R) Razão para retirada / Reason Pulled
Desgaste das brocas

BF – Bond Failure
Desgaste das brocas

BT – Broken Cutters
Desgaste das brocas

BU – Balled Up
Desgaste das brocas

CR – Cored
Desgaste das brocas

CT – Chipped Cutter
Desgaste das brocas

DL – Delaminated Cutters
Desgaste das brocas

ER – Erosion
Desgaste das brocas

HC – Heat Checking
Desgaste das brocas

JD – Junk Damage
Desgaste das brocas

LM – Lost Matrix
Desgaste das brocas

LN – Lost Nozzle
Desgaste das brocas

LT – Lost Cutter
Desgaste das brocas

PN – Plugged Nozzle / Waterway
Desgaste das brocas

RO – Ring Out
Desgaste das brocas

WO – Washed Out Bit
Desgaste das brocas

WT – Worn Cutter
Desgaste das brocas

• Embora representem apenas uma fração do custo total da
perfuração, as brocas são um dos elementos mais críticos para se
calcular o aspecto econômico da perfuração. O custo de uma
broca de diamante pode ser muito maior do que uma broca
tricônica ; logo só se justifica seu uso com base no rendimento.
Para avaliar seu desempenho, têm-se usado vários parâmetros de
comparação como: o custo da broca, ROP, intervalo perfurado, etc.
• O objetivo é obter o menor custo de perfuração sem colocar em
risco as operações cumprindo as especificações de perfuração e
observando as restrições que possam existir. O método mais
aceito hoje em dia é o custo por metro.
Avaliação econômica

• Para seu cálculo se usa a seguinte equação:
C= custo por metro perfurado ($/m)
B= custo da broca ($)
R= custo de operação da sonda de perfuração ($/h)
T= tempo de perfuração (h)
Tm= tempo de manobra (h)
Tc= tempo de conexão (h)
M= metros perfurados pela broca (m)

• O tempo de conexão (Tc) é calculado dividindo o comprimento
perfurado (M) por 9,30m, que é o comprimento padrão de tubos
de perfuração. Em caso de utilização de top drive se conecta 3
tubos por vez. Calcula-se o número de conexões e multiplica-se
pelo tempo unitário de conexão. Este é variável de acordo com a
experiência dos operadores, do equipamento utilizado e das
condições de operação. Para determinar o tempo de manobra,
como uma prática de campo, se utiliza a seguinte formula:
• O fator 0.004 representa um tubo de perfuração viajando 1000 m
em quatro horas, novamente, isto depende da experiência dos
operadores, da sonda de perfuração e das condições de operação.

• A equação do custo por metro de perfuração é válida para
qualquer tipo de broca, incluindo as de diamante. A formula pode
ser usada ao se terminar uma seção de perfuração usando dados
reais da operação para calcular o custo por metro de perfuração
ou utilizada antes do inicio da operação, assumindo valores para
se calcular o custo.
• A fórmula pode ser usada para se comparar custos usando brocas
de diamante contra brocas tricônicas ou comparar as vantagens
econômicas de tipos diferentes de brocas de diamante.

• O custo previsto por metro perfurado para uma broca proposta só
deve ser comparado com o custo real de outras brocas
empregadas para perfurar a mesma região sob condições similares
de perfuração. Os poços que se usam para fazer comparações são
os poços de correlação (offset).
• Quando se propõe a utilizar brocas de diamante onde se costuma
utilizar brocas tricônicas convencionais, é mais útil utilizar uma
análise conhecida como break even. O ponto de break even se
refere simplesmente aos metros perfurados e as horas requeridas
para igualar o custo por metro que se pode obter para um poço
em particular se não tivesse sido usada uma broca de diamante.

Exemplo: Qual é o melhor momento de se retirar uma broca baseado
na sua curva de desempenho (custo por metro)?
Dados:
Custo da broca (B) = US$ 50 mil
Taxa diária da sonda (R) = US$ 500 mil/dia
Profundidade inicial (Pi) = 3000 m
Tempo de manobra nesta profundidade (Tm) = 15 horas
Tempo de conexão (Tc) na profundidade (Pf) é dado na tabela abaixo:
T (h) Tc (h) Pf (m)
10 2,5 3100
20 5 3200
35 7,5 3300
50 10 3400
70 12,5 3500

Exemplo:
Usando a equação de custo por metro acima se calcula os valores
da última coluna da tabela abaixo.
Logo, o melhor momento para retirar a broca baseado no método
do custo por metro é na profundidade 3500m, ao atingir 70 horas
de perfuração, quando o custo começa a crescer.
Tb (h) Tc (h) Pf (m) Cm (US$/m) ROP (m/h)
10 2,5 3100 6229 10,0
20 5 3200 4417 10,0
35 7,5 3300 4160 8,6
50 10 3400 4031 8,0
70 12,5 3500 4163 7,1

MSE - Energia Mecânica Específica
• Na década de 90, algumas empresas aplicando a técnica de análise mecânica
dos parâmetros de perfuração proposta por Teale (1965) obtiveram resultados
surpreendentes.
• Modelo baseado na Energia Mecânica Específica (MSE) foi inicialmente utilizado
para avaliação dos resultados de laboratório em testes em escala real (Tibbitts,
1979). O modelo foi validado e se mostrou uma excelente ferramenta para
determinação de parâmetros de perfuração mais eficientes e, também para
detecção de problemas, tais como: enceramento (balling), vibrações, dentre
outros.
• A análise através da MSE pode ser aplicada como uma ferramenta de auxílio à
tomada de decisões em tempo real e na análise pós-perfuração.
Métodos de Otimização

• A MSE tem permitido ganhos em performance durante a perfuração, que
ocorrem pela melhor escolha dos parâmetros de perfuração, pela detecção de
problemas e pela possibilidade de verificar precocemente a eficácia das ações
mitigadoras.
• Algumas cias operadoras implementaram metodologias de acompanhamento
da perfuração baseada na MSE e têm obtido resultados expressivos com
incrementos da ROP e mitigação de problemas.
• A forma convencional de analisar a performance da perfuração é comparar a
performance atual com os padrões estatísticos obtidos de poços de correlação.
Essa metodologia é subjetiva e variável. Existe uma lacuna de modelos físicos
para estabelecer padrões técnicos de performance de maneira absoluta.
• Diante dessa lacuna, em 1964, Teale propõe um modelo baseado em três
elementos chave: energia mecânica específica (MSE) da perfuração, eficiência
da perfuração e mínima energia específica.

• Este modelo foi testado e sua validade foi comprovada num primeiro momento
em ensaios de laboratório, em pressão atmosférica e em condições de poço,
sendo ambos os experimentos em escala real (Tibbits et al., 1979).
• Análises entre os dados de campo revelaram boa correlação com o simulador.
Em 2004, a Exxon Mobil desenvolveu um projeto piloto na tentativa de utilizar o
MSE como ferramenta de acompanhamento em tempo real, com objetivo de
otimizar a perfuração. Os resultados superaram as expectativas, com recordes
de perfuração sendo obtidos e incrementos na taxa de penetração muito
expressivos. Os recordes foram obtidos em 10 poços de um total de 11,
perfurados com o acompanhamento dessa tecnologia. (Dupriest, 2005).

Energia mecânica específica (MSE)
• Definição
• Drill-off test
• Pós-análise da perfuração
• Predição da performance da broca

Definição
• A energia mecânica específica (MSE) é uma taxa que está relacionada com a
energia de entrada e a ROP obtida. Essa taxa seria constante para uma
determinada rocha, isso quer dizer que um determinado volume de rocha
necessitaria de uma dada energia para ser destruído, e essa relação
energia/volume de rocha seria constante. Teale (1965) propôs a seguinte
equação para MSE:
ROP
D
T
RPM
D
WOB
MSE
B
B








 











 

4
120
4
2
2



WOB – peso sobre a broca (lbf)
T – torque na broca (lb-pé)
DB – diâmetro da broca (pol2)
RPM – revoluções por minuto da broca (rpm)
ROP – taxa de penetração (pés/hr)

• Ele também introduziu o conceito de energia específica mínima (MSEMIN) de
perfuração, que se aproxima ou tende para a resistência compressiva não
confinada da rocha (UCS) que está sendo perfurada:
• Sendo assim foi definida a eficiência mecânica da perfuração como:
• Ou seja, obtém-se a eficiência máxima quando a energia na broca é igual a
energia necessária para destruir a rocha abaixo da mesma. A equação proposta
é proveniente do cálculo do trabalho (axial e radial) realizado pela broca e
dividindo-se essa energia pelo volume de rocha perfurado, embora não exista
uma correlação clara entre a energia para perfurar determinada rocha e a sua
resistência. Teale ficou surpreso quando verificou que existia uma aproximação
numérica entre os valores de MSE e a resistência da rocha que está sendo
perfurada na região de eficiência.
100


MSE
MSE
EFF MIN
M

• No campo, a rocha está sujeita a pressão de confinamento. Nos experimentos
iniciais não existia pressão de confinamento atuando sobre a rocha, pois os
mesmos foram conduzidos à pressão atmosférica. Porém, como a rocha esta
sujeito à pressão de confinamento, sua resistência à perfuração não pode ser
expressa pelo valor do UCS, seria necessário comparar os valores de energia
mecânica com os valores de CCS.
• É difícil obter esse dado em campo, pois não existem correlações confiáveis,
elas geralmente requerem algum tipo de ajuste de coeficientes para ser
aplicada a diferentes localidades. Já o UCS é facilmente obtido de poços de
correlação a partir informações de perfis sônicos. A seguir, uma correlação
muito utilizada em mecânica das rochas com o intuito de correlacionar UCS e
CCS.
 
 
 


sen
sen
P
P
UCS
CCS








1
2

• CCS – resistência compressiva confinada da rocha (psi)
• UCS – resistência compressiva não confinada da rocha (psi)
• Φà- ângulo interno de atrito da rocha
• ECD – densidade equivalente de circulação (psi)
• Pporos – pressão de poros (psi)
• ΔPà- diferencial de pressão (DP), psi, dado pela expressão:
 
 
 


sen
sen
P
P
UCS
CCS








1
2
POROS
P
ECD
P 



Drill-off test
• Teste para escolha dos parâmetros de perfuração. Busca-se os parâmetros para
otimizar a perfuração, ou seja, perfurar uma fase no menor tempo possível. É
importante essa distinção, pois é recorrente a idéia de otimizar a perfuração,
como maior ROP possível. Entretanto essa idéia é errônea. De que adianta
fo ça àaà o a àeàdesgast -la prematuramente, criando a necessidade de uma
manobra adicional para atingir o objetivo, quando é possível alcançar o
reservatório sem a necessidade de troca de broca com a utilização de
parâmetros adequados.
• Por isso, deve-se ter sempre como objetivo otimizar a fase e não apenas
maximizar a ROP. De maneira geral, busca-se obter o founder point, ponto a
partir do qual a broca deixa de responder de maneira linear com incrementos
da energia.

• São feitas várias combinações de WOB e RPM e observa-se os resultados. Os
parâmetros que serão usados são os que resultarem em maior ROP.
• Coloca-se o WOB e trava-se o freio do guincho. À medida que a broca avança a
coluna de perfuração se alonga e o WOB decai. O ROP é calculado com base no
alongamento da coluna à medida que o peso diminui.

Pós-análise da perfuração
• A utilização do MSE com dados de MWD e LWD fornece subsídios para uma
pós-análise da perfuração.
• Após a perfuração, dados de perfil sônico, gamma ray, resistividade e outros,
podem ser utilizados para por intermédio de correlações estimar UCS e CCS.
Essas correlações geralmente requerem calibração para a região. A indústria
possui diversos correlações que estimam essas propriedades da rocha. Na
literatura também existem diversas correlações (Chandong, 2004).
• Existe um método que permite a identificação de trechos de ineficiências
possibilitando assim identificação de trechos de perfuração ineficientes. A
distância entre a curva do MSE (calculado com base nos parâmetros de
perfuração) e a curva de resistência confinada da rocha permite o cálculo da
eficiência da perfuração (EFFM). A ineficiência pode ser melhorada pelo melhor
ajuste dos parâmetros mecânicos de perfuração ou pela utilização de outro tipo
de broca.

• Na figura a seguir observa-se que a distância entre o MSE calculado (ponto azul)
e a curva de resistência da rocha representa a possibilidade de melhoria na
performance da perfuração

• Na figura a seguir observa-se claramente o que foi dito anteriormente, ou seja,
os valores de energia específica (MSE ou SE) tendem a um mínimo, que é a
resistência da rocha não confinada (UCS). Quando isso ocorre, a perfuração está
próxima da máxima eficiência que pode ser obtida pelo sistema.
Figura: Tendência do MSE a resistência da rocha (HCC/Baker Hughes, 2002).
• Por outro lado, a diferença entre a curva de resistência da rocha e a curva do MSE
representam oportunidades de melhora da performance da perfuração.

Predição da performance da broca
• A equação de Teale utiliza o torque na broca (T) como uma de suas variáveis
principais. Este torque pode ser medido em laboratório ou em campo.
Entretanto, como a maioria dos dados de campo está expressa em função de
WOB, RPM e ROP, foi introduzido o conceito de coeficiente de escorregamento
po àf i çãoà μ àpa aàe p i i àTàe àfu çãoàdoàWOB.àEstaàe p essãoàpodeàse à
utilizada para calcular a energia específica de entrada.
36
WOB
D
T B 
 

• Substituindo esta equação na equação de MSE obtida por Teale e colocando
WOB em evidência, obtém-se a seguinte expressão:
• Isolando o ROP na equação anterior:
• Expressando o valor de MSE em termos da eficiência mecânica (EFFM) e da
energia específica mínima (MSEMIN), obtém-se:
• Essa equação fornece uma predição da ROP quando se tem alguma estimativa
da resistência da rocha na região e dos parâmetros mecânicos de perfuração.













ROP
D
N
A
WOB
MSE
B
B

33
,
13
1












B
B
A
WOB
MSE
D
N
ROP
1
33
,
13 













B
M
MIN
B
A
WOB
EFF
MSE
D
N
ROP
1
33
,
13 

Aplicação de campo do MSE
• Introdução
• Enceramento da broca (bit balling)
• Vibrações
• Bottom Hole Balling
• Fontes de erro nas leituras
• Considerações finais

Figura: Tendência de crescimento da curva do MSE quando o sistema está
operando acima do founder point (Dupriest et al., 2005).

Figura: Exemplo de teste de drill-off (Dupriest et al., 2005).
• É importante salientar que os picos observados na figura anterior devem ser
desconsiderados a menos que persistam por muitos metros. Eles, geralmente,
ocorrem nas conexões e estão associados à profundidade de corte (Depth Of
Cut – DOC) inadequada, devido ao WOB leve e ao restabelecimento das
condições de fluxo no poço.

Enceramento da broca (bit balling)
• Forma de dissipação da energia fácil de diagnosticar e familiar ao pessoal de
campo. Ocorre com frequência em folhelhos. Devido à obstrução dos espaços
entre os dentes das brocas, as saídas de fluido das brocas é obstruída,
diminuindo a limpeza abaixo da broca e seu resfriamento, e a ROP é reduzida.
As principais causas desse fenômeno são a deformação plástica do folhelho
devido a um elevado nível de tensão nos dentes das brocas; a limpeza
insuficiente do fundo do poço; e a hidratação de argilominerais quando se
utiliza fluidos de perfuração base água com consequente expansão da rocha.
• Esse problema reduz drasticamente a performance da perfuração, uma vez que
dificulta a transferência de energia e também aumenta as perdas de energia
por dissipação de calor, já que limita o resfriamento da broca e o contato
cortador-rocha.

• A figura a seguir é um exemplo de utilização do MSE para detecção de
enceramento da broca. A broca inicialmente possuía HSI de 5.2 hp/pol² e
perfurou o poço anterior no mesmo campo com ROP instantâneo de 150pés/hr.
Entretanto, a equipe notou um excessivo consumo de energia, devido aos
elevados valores de MSE. Na perfuração do folhelho os valores estavam
próximos de 30 ksi, concluindo-se que a broca estava encerada. A broca foi
substituída por uma idêntica, porém com HSI de 11,5 hp/pol². Essa mudança na
hidráulica possibilitou a obtenção de ROP maiores.
Figura: Founder point foi deslocado com o
aumento do HSI (Dupriest et al., 2005).

Vibrações
• As vibrações são as principais causas de falha nas colunas de perfuração. Elas
também podem prejudicar a estabilidade do poço. Toleram-se as vibrações na
região superior da coluna, nos drill pipes. Porém na região do BHA,
principalmente onde estão as ferramentas de MWD e LWD, as vibrações devem
ser evitadas para não comprometer a integridade dos sensores e a leitura dos
mesmos. Esses já seriam motivos suficientes para um monitoramento
cuidadoso das mesmas, porém as vibrações também são grandes responsáveis
por reduções da ROP. Além disso, podem comprometer a estabilidade das
paredes do poço devido aos choques laterais da coluna com a parede do poço.

Figura: Utilização do MSE para mitigar vibrações (Dupriest et al., 2005).

• Outro exemplo muito interessante é dado a seguir. A coluna estava sujeita a
vibrações stick slip muito severas, comprometendo assim sua performance. Na
figura a seguir observa-se elevados níveis de vibração, e consequentemente
elevado valor de MSE. Com a redução do WOB ocorre uma significativa redução
das vibrações e o valor de MSE assume níveis muito menores. O mais
interessante é o efeito na ROP saltando de 25 pés/hr para mais de 200 pés/hr.
Figura: Utilização do MSE para mitigar vibrações (Dupriest et al., 2005).

Bottom Hole Balling
• É a condição na qual o acúmulo de material no fundo do poço interfere na
transferência de energia da broca para a formação abaixo dela. Enquanto no
enceramento da broca (bit balling) esse acúmulo acontece com a aderência do
material na própria broca, no bottom hole balling esse material adere nos
outros componentes do BHA e prejudica a transferência de energia broca-
formação. É de difícil detecção e, geralmente, é diagnosticado por eliminação
de hipóteses.

Conclusões sobre MSE
• A utilização de informações simples, normalmente disponíveis no campo, pode
ser utilizada para fornecer valiosas informações sobre a dinâmica da
perfuração, permitindo detecção de indícios de problemas e até mesmo uma
resposta sobre a efetividade das ações corretivas tomadas. Isso pode ser feito
no acompanhamento em tempo real e comparando com poços perfurados na
mesma região.
• Uma forma de utilização no acompanhamento em tempo real seria como
ferramenta de análise de tendência. O valor absoluto não é o foco principal e
sim a tendência exibida pela curva. Esse fato é utilizado largamente pela
indústria como forma de buscar a porção linear da curva de drill-off.

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