Apostila de Sistemas de Sonda

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Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 1
 
 
 
 SISTEMAS DE SONDA 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 2
 
 
 
ÍNDICE
 
 
1. Sistema de Movimentação de cargas ................................................................... 1
1.1. A Torre e a Subestrutura ............................................................................... 1
1.2. Conjunto Bloco / Catarina .............................................................................. 4
1.3. Guincho .......................................................................................................... 10
2. Sistema de Rotação .............................................................................................. 17
2.1. Método Rotativo Convencional ...................................................................... 17
2.2. Top-drive ........................................................................................................ 23
2.3. Motor de Fundo ............................................................................................. 24
3. Sistema de Circulação .......................................................................................... 26
3.1. Tanques de Lama .......................................................................................... 27
3.2. Bombas de Lama ........................................................................................... 27
3.3. Manifold .......................................................................................................... 33
3.4. Tubo Bengala / Mangueira de Lama .............................................................. 33
3.5. Saída de Lama ............................................................................................... 33
3.6. Sistema de Tratamento de Lama ................................................................... 33
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 3
 
 
SISTEMAS DE SONDA 
 
 
1. SISTEMA DE MOVIMENTAÇÃO DE CARGAS 
 
A função do sistema de movimentação de cargas é permitir içar ou abaixar colunas de 
perfuração e de revestimento ou quaisquer outros equipamentos de sub-superfície, para 
dentro ou fora do poço. Seus principais componentes são a torre e a subestrutura, o 
conjunto bloco/catarina e o guincho. 
 
 
1.1. A Torre e a Subestrutura 
 
A torre provê a altura necessária ao içamento de uma seção de tubos a ser descida ou a 
ser retirada do poço. As torres mais comuns têm uma altura útil de trabalho na faixa de 
40 metros. 
 
Como torres podemos designar as torres convencionais e os mastros terrestres ou para 
perfuração marítima. 
 
As torres convencionais são estruturas em treliça que exigem a desmontagem e a 
montagem das vigas uma a uma. Com isto, conseqüentemente o custo operacional é 
bastante significativo. 
 
Os mastros são estruturas semelhantes às torres, só que montados ou desmontados em 
seções. Com isto, o tempo de DTM (Desmontagem -Transporte - Montagem) da sonda 
fica sensivelmente diminuído (fig. 1.0). 
 
Além da altura, as torres são também especificadas por sua resistência aos esforços 
desenvolvidos, pelo peso suspenso no gancho, peso estaleirado na plataforma e ação 
do vento. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 4
 
 
Como exemplo para dimensionamento de uma torre vamos supor uma carga suspensa 
máxima (Pmax) correspondente ao peso imerso de uma coluna de revestimento na 
profundidade limite. Para descer esta coluna de revestimento a coluna de perfuração 
está toda estaleirada em seções apoiada na parte superior da torre. A torre tem que 
suportar, enquanto se movimenta livremente a carga Pmax, o momento de tombamento 
criado pelo peso das seções dos tubos em pé e força do vento. 
 
As torres para perfuração marítima são projetadas para resistirem, também, aos 
esforços dinâmicos que ocorrem durante as operações de reboque das unidades de 
perfuração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.0 – Os mastros podem ser desmontados em duas, três ou quatro seções para facilitar no transporte. 
 
A torre se apoia na subestrutura, criando um espaço de trabalho abaixo da plataforma, 
onde se instala o equipamento de segurança do poço - BOP (fig. 1.1). 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 5
 
 
 
Fig. 1.1 – A subestrutura deve ter altura suficiente que permita a movimentação do BOP sobre a cabeça de poço. 
 
1.2. Conjunto Bloco/Catarina 
 
O conjunto bloco/catarina compõe-se do bloco de coroamento, da catarina e do cabo de 
perfuração. Sua principal função é permitir o manuseio fácil das elevadas cargas 
geradas nas operações de perfuração. 
 
Bloco de Coroamento 
 
É um conjunto de polias, em geral de 4 a 6, dispostas em linha através de um eixo 
central. Este eixo é suportado por dois mancais de deslizamento apoiados sobre vigas 
de aço localizadas no topo da torre. Na extremidade do eixo existem graxeiros para a 
lubrificação dos rolamentos das polias e do próprio mancal de apoio (fig. 1.2). 
 
 
Fig. 1.2 – Bloco de coroamento 
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As dimensões das polias estão relacionadas com os diâmetros dos cabos de aço que 
podem passar por elas. Quanto maior o diâmetro do cabo maior o diâmetro da polia. Se 
a abertura do canal da polia é estreita para o cabo ambos se desgastarão por abrasão; 
se é larga demais o cabo se achata ao passar pela polia pela falta de apoio lateral (veja 
API STANDARD BA). 
 
Catarina/Gancho/Elevador 
 
A catarina é também um conjunto de polias justapostas num pino central mas que não 
fica fixa à torre. Pela movimentação do cabo passado entre as polias do bloco de 
coroamento e as suas, a catarina se movimenta ao longo da altura da torre, içando ou 
descendo equipamentos no poço. Em sua extremidade inferior encontra-se uma alça 
que a liga ao gancho (fig. 1.3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.3 – Catarina 
 
O gancho é o elemento de ligação da carga ao sistema de polias (fig. 1.4). Seus 
principais elementos são: 
 
a) Comando – elemento responsável pela transmissão da carga ao corpo do gancho; 
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b) Mola e amortecedor hidráulico – evitam choques elevados do batente do comando 
no corpo do gancho. Ao suspender a carga, a mola se comprime suavizando o 
choque além de forçar o óleo para cima do elemento retentor da mola. Ao se liberar a 
carga, a mola força o comando para sua posição original com velocidade atenuada 
pela passagem restringida do óleo; 
 
c) Trava – dispositivo que permite ou não a rotação do comando. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.4 – Gancho 
 
O gancho pode ser integrado a catarina formando com ela um equipamento unitário (fig. 
1.5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.5 – Catarina com gancho integrado 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 8
 
 
O elevador é o equipamento usado para segurar a tubulação durante as movimentações. 
O elevador é bipartido, sendo as duas partes ligadas por dobradiças, tendo um trinco 
para sua abertura e seu fechamento. 
 
A ligação do elevador ao gancho é feita por duas hastes com olhais nas duas 
extremidades – os braços do elevador (fig. 1.6). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.6 – Elevador e hastes do elevador 
 
Cabo de Perfuração 
 
O chamado cabo de perfuração é um cabo formado por arames de aço. Na sua 
construção são observados os seguintesitens: 
 
(1) Número de pernas e número de fios – o cabo é formado pelo enrolamento de 
pernas em torno de uma alma e as pernas pelo enrolamento de arames em torno de 
um arame central (fig. 1.7). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.7 – O cabo 6 x 19, por exemplo, compõe-se de 6 pernas de 19 fios cada 
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(2) Composição – disposição dos fios em cada perna (ex: seale, filler, warrington). A 
composição é importante na seleção de um cabo em vista de sua aplicação. A 
flexibilidade de um cabo de aço está em proporção inversa ao diâmetro dos arames 
externos, enquanto que a resistência a abrasão é diretamente proporcional a este 
diâmetro. 
 
(3) Alma – as almas dos cabos podem ser de fibra natural (AF), de sisal ou rami, ou de 
fibras artificiais (AFA), geralmente de polipropileno. As almas de fibra em geral dão 
maior flexibilidade ao cabo de aço. Já as almas de aço dão maior resistência aos 
amassamentos e aumentam a resistência à tração. A alma de aço pode ser formada 
por uma perna de caco (AA) Ou por um cabo de aço independente (AACI) (fig. 1.8). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.8 – Alma dos cabos 
 
(4) Torção das pernas e do cabo – o cabo é de "torção à direita" quando as pernas são 
torcidas da esquerda para a direita e de "torção à esquerda" caso contrário. No cabo 
de torção regular os fios de cada perna são torcidos em sentido oposto à torção das 
próprias pernas (em cruz). No cabo de torção lang os fios de cada perna são torcidos 
no mesmo sentido que o das próprias pernas (em paralelo). A torção lang aumenta a 
resistência à abrasão do cabo e sua flexibilidade. Por outro lado, a torção regular 
confere maior estabilidade (menor tendência ao desenrolamento) ao cabo (fig. 1.9). 
Cabo com Alma de Fibra 
AF (fibra natural) 
ou 
AFA (fibra articifical) 
Cabo com Alma de Aço 
Formada por cabo 
Independente 
AACI 
Cabo com Alma de Aço 
formada por uma 
Perna 
AA 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 10
 
 
 
 
Fig. 1.9 – Torção dos cabos 
 
(5) Passo de um cabo – é a distância horizontal correspondente a uma volta completa 
de uma perna em torna da alma (fig. 1.10). 
 
Fig. 1.10 – Passo de um cabo. 
 
(6) Preformação – processo de fabricação adicional que faz com que os arames e 
pernas fiquem curvados na forma helicoidal. Na construção do cabo, tanto os arames 
como as pernas, permanecem curvados na posição natural com um mínimo de 
tensões internas (já que não há neles a tendência de endireitar-se). Como as tensões 
internas são mínimas também são mínimos a fricção interna e o conseqüente 
desgaste interno. 
 
(7) Resistência – os fabricantes fornecem para cada tipo e diâmetro de cabo a carga de 
ruptura mínima efetiva. O quadro abaixo fornece as faixas de resistência a tração e a 
correspondente denominação americana: 
Kg/mm2 
 "Extra Improved Plow Stell" (EIPS) .............................................................. 200 a 230 
 "Improved Plow Steel" (IPS) ......................................................................... 180 a 200 
"Plow Steel" (PS) .......................................................................................... 160 a 180 
"Mild Plow Steel" (MPS) .............................................................................. 140 a 160 
"Traction Steel" ............................................................................................ 120 a 140 
"Iron" ............................................................................................................ 60 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 11
 
 
O cabo de perfuração apresenta alguns pontos críticos quanto ao desgaste devido ao 
uso como mostra a figura 1.11. Estes pontos estão nas polias do bloco de coroamento e 
nas da catarina, quando ela está parada nos extremos de seu curso, e os pontos no 
tambor do guincho em que se inicia nova camada de cabo (o cabo vai se enrolando no 
tambor "caminhando" de um flange a outro até que, ao encontrá-la, uma nova camada 
se sobrepõe a anterior "caminhando" em sentido contrário. Os pontos de mudança de 
camadas junto aos flanges são críticos). 
 
A fim de aumentar a vida útil do cabo periodicamente é feita uma corrida do cabo de 
perfuração de maneira que os pontos críticos sejam deslocados. Após certo número de 
corridas, o comprimento de cabo deslocado passa a ser problema no tambor do guincho, 
obrigando ao corte deste comprimento de cabo. O parâmetro usado no programa de 
corridas e corte de cabo é o trabalho realizado na movimentação de cargas medido em 
tonelada x milha (ver API RP 98). 
 
Fig. 1.11 – Pontos críticos do cabo de perfuração. 
 
 Guincho 
 
É o equipamento da sonda responsável pela movimentação vertical das tubulações no 
poço. Suas partes principais são: (a) tambor principal, (b) freio, (c) caixa de marchas, (d) 
tambor auxiliar e molinetes. 
 
(a) Tambor principal 
 
É o tambor onde se enrola (desenrola) o cabo de perfuração ao se içar (descer) uma 
carga. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 12
 
 
(b) Freio 
 
Para o controle da velocidade de movimentação da carga existem dois sistemas de 
frenagem do tambor do guincho: o principal, por fricção, e o secundário, hidráulico ou 
eletromagnético. 
 
O freio principal consiste de duas cintas ajustadas às do tambor com cerca de 270° de 
contato. As cintas são compostas por sapatas de amianto responsáveis pela frenagem. 
 
As extremidades frontais das cintas estão conectadas por dois parafusos a uma barra 
equalizadora que assegura a mesma tensão de contato das cintas nas duas jantes. O 
parafuso permite a regulagem do aperto das cintas às jantes. 
 
As extremidades posteriores da cinta estão ligadas a alavanca do sondador. Quando o 
sondador empurra a alavanca para baixo a cinta do freio é tracionada iniciando a 
frenagem. Para dissipar o calor produzido, as jantes são refrigeradas com circulação de 
água internamente a elas (fig. 1.12). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.12 – Freio principal: (1) cintas; (2) parafusos; (3) barra equalizadora: (4) alavanca do sondador. 
 
Com o aumento da profundidade dos poços e conseqüente aumento das cargas a serem 
movimentadas pelo guincho, desenvolveram-se sistemas de freios auxiliares a partir da 
década de 40. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 13
 
 
Os freios hidráulicos são máquinas hidrodinâmicas que absorvem potência pela 
conversão de energia mecânica em calor dentro de um fluido (normalmente água). Fica 
montado no mesmo eixo onde se localiza o tambor principal do guincho, na ex- 
tremidade oposta à alavanca do sondador. Quando acoplado a este eixo (através de 
embreagem pneumática, por exemplo) o elemento rotor do freio impele a água para o 
elemento estator criando resistência ao seu movimento. Como a quantidade de energia 
mecânica a ser dissipada depende da quantidade e velocidade da água dentro da 
carcaça do freio, um sistema de circulação de água fresca é montado. No exemplo da 
figura 1.13, à medida que as cargas ficam mais pesadas o sondador aumenta o nível de 
água dentro do tanque aumentando a assistência do freio hidráulico à frenagem do 
tambor do guincho. 
 
 
Fig. 1.13 – Freio hidráulico. 
 
 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 14
 
Outro sistema auxiliar de freio muito usado é o freio eletromagnético. O princípio básico 
usado neste tipo de freio é a atração existente entre os pólos magnéticos norte e sul. O 
freio eletromagnético consiste de um tambor de aço, que gira com o eixo do tambor 
principal do guincho quando o freio está acoplado, e de bobinas que permanecem 
estacionárias.Quando o sondador aciona o freio, corrente elétrica passa através das 
bobinas tornando-as pólos magnéticos. O campo magnético criado induz corrente 
elétrica no tambor do freio, onde são gerados campos magnéticos de polaridade 
contrária aos pólos estacionários. Assim, a atração entre as bobinas e o tambor causam 
o torque de frenagem no eixo e calor, que é dissipado por sistema de refrigeração a 
água. Através da variação do fluxo de corrente nas bobinas, o sondador pode controlar a 
intensidade de frenagem no tambor do guincho ao descer a tubulação no poço (fig. 
1.14). 
 
 
Fig. 1.14 – Freio eletromagnético 
 
(c) Caixa de Marchas 
 
A caixa de marchas do guincho permite adequar o binômio torque x velocidade no eixo 
do tambor principal a carga a ser içada. 
 
 
 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 15
As características de uma caixa de marchas dependem do tipo da sonda quanto à 
energia de acionamento (sonda mecânica ou diesel-elétrica) além do projeto de cada 
fabricante. Tomemos como exemplo uma caixa de marchas projetada para sonda 
mecânica é constituída por dois eixos paralelos. Na extremidade do primeiro eixo (eixo 
primário) encontra-se uma roda dentada que recebe, por corrente, a potência vinda dos 
motores. Ao longo de seu comprimento, encontram-se as rodas dentadas que irão 
transmitir as rodas dentadas do eixo secundário às marchas a vante (eixos girando no 
mesmo sentido) e uma engrenagem que, acoplada a outra no eixo secundário, transmite 
a marcha a ré (eixos girando em sentidos contrários) (fig. 1.15). 
 
 
 
Fig. 1.15 – Caixa de marchas de uma sonda mecânica. 
 
Nas figuras 1.16 e 1.17, estão esquematizadas as caixas de marchas dos guinchos 
Gardner-Denver 2100 (sonda mecânica) e 2100 E (sonda diesel-elétrica). 
 
 
 
 
 
 
 
a) Vante 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) Ré 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 16
 
Fig. 1.16 – Sonda Mecânica 
 
 
 
Fig. 1.17 – Sonda diesel-elétrica 
 
 
 
 
(d) Tambor Auxiliar e Molinetes 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 17
Estes elementos estão montados no eixo secundário do guincho. No tambor auxiliar fica 
armazenado um cabo de aço mais fino que o cabo de perfuração (1/2 poI., por exemplo) 
que serve para descer pequenos equipamentos no poço (é utilizado na perfuração de 
poços direcionais para a descida de registradores de inclinação e direção por dentro da 
coluna de perfuração). 
 
Nas extremidades do eixo secundário estão instalados os dois tipos de molinetes: os 
"catheads", que acionam as chaves flutuantes, e os molinetes de fricção, que servem 
para movimentar pequenas cargas na plataforma. Ao atuar o "cathead" , um cabo de aço 
é enrolado puxando o rabo da chave flutuante transmitindo torque a conexão. No caso 
do molinete de fricção, içam-se pequenas cargas por meio de um cabo conhecido por 
"catline", que tem um gancho numa extremidade e um pedaço de corda na outra. O 
"catline" passa por urna polia fixada ao bloco de coroamento de modo que, ao se enrolar 
a corda no molinete de um lado, eleva-se uma carga presa no gancho do "catline" do 
outro (fig. 1.18). 
 
Fig. 1.18 – O tambor auxiliar e os molinetes fazem parte do guincho de perfuração. 
 
 
 
 
2. SISTEMA DE ROTAÇÃO 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 18
Apresentaremos aqui os principais equipamentos do sistema de rotação da sonda 
quando operando com a sonda convencional, ou com TOP DRIVE ou com motor de 
fundo. 
 
2.1. Método Rotativo Convencional 
 
No método rotativo convencional, o sistema de rotação é composto pela mesa rotativa, a 
bucha do kelly, o kelly e o swivel. 
 
(a) Mesa Rotativa 
 
• Funções 
 
1) Recebe a energia de acionamento sob forma de rotação no plano vertical e a 
transforma em rotação no plano horizontal e a transmite aos demais elementos do 
sistema rotativo. 
 
2) Suporta por acunhamento o peso da coluna. 
 
• Acionamento 
 
Pode ser de duas formas: 
 
Através do guincho: 
 
Nesse caso, uma roda dentada do guincho transmite por corrente a outra num eixo 
intermediário. Ao ser acionada a embreagem desse eixo, outra roda dentada fixa nele 
transmite por corrente para a localizada no eixo de entrada da mesa rotativa (fig. 1.19). 
 
 
 
 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 19
 
Fig. 1.19 – Acionamento através do guincho. 
 
Através de um conjunto independente: 
 
Nesse caso, um conjunto independente composto por um motor diesel, um conversar de 
torque, uma embreagem, e uma caixa de marchas, gera e transmite ao eixo de entrada 
da mesa rotativa o movimento necessário (fig. 1.20). 
 
 
Fig. 1.20 – Acionamento através de um conjunto independente. 
 
• Componentes Principais (fig. 1.21) 
 
Eixo Pinhão 
 
A extremidade externa do eixo-pinhão (ou eixo de entrada) contém o elemento receptor 
do acionamento (roda dentada ou flange). 
 
Em sua extremidade oposta interna à mesa, possui um pinhão que irá transmitir a 
energia de acionamento. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 20
 
 
Rotor 
 
É o componente transmissor aos demais elementos do sistema de rotação. 
 
A ele estão ligados mecanicamente a coroa engrenada no pinhão e o casquilho superior 
do rolamento autocompensador, que suporta as cargas axiais e de compressão a que a 
mesa está submetida. 
 
A parte superior do rotor é vazada de forma quadrada, onde se encaixa a extremidade 
inferior da bucha da mesa. 
 
Corpo 
 
É a carcaça que contém os componentes da mesa e por onde esta é fixada na 
subestrutura da sonda. Contém o depósito de óleo que lubrifica o engrenamento e os 
rolamentos. 
 
 
 
 
 
Fig. 1.21 – Mesa Rotativa 
 
Piso 
 
Construído de chapa antiderrapante, cobre a mesa e a protege de entrada de corpos 
estranhos. É onde circulam os elementos da equipe que operam na boca do poço. 
 
(b) Bucha do Kelly 
 
É o elemento de ligação entre a mesa rotativa e a coluna de perfuração. 
 
 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 21
 
• Descrição 
 
Sua parte inferior, de seção quadrada se aloja na parte superior do rotor da mesa, de 
modo que seu movimento se transfere à bucha do kelly devido às arestas do encaixe. 
 
Seu centro é vazado de fora-a-fora com um orifício quadrado, por onde passa o kelly 
(haste quadrada). 
 
O contato bucha do kelly/kelly é feito através de roletes existentes no interior da bucha, 
montados em eixos horizontais, que permitem o livre movimento vertical do kelly 
(fig. 1.22). 
 
Fig. 1.22 – Bucha do kelly 
 
(c) Kelly 
 
É a haste ligada à coluna de perfuração, que lhe transmite diretamente rotação e torque. 
 
Sua seção quadrada possibilita a transmissão e seu centro é vazado, por onde passa o 
fluido de perfuração. 
 
(d) Swivel 
 
• Funções 
1) Liga as partes girantes às não girantes; 
2) Permite livre rotação da coluna de perfuração; 
3) Injeta o fluido de perfuração no interior da coluna. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 22
 
 
• Componentes Principais (fig. 1.23) 
 
 
Alça 
 
É aquele que liga o swivel ao gancho. 
 
Pescoço de ganso 
 
É um tubo encurvado que liga o swivel ao mangote condutor do fluido de perfuração, 
sem que este seja submetido à flexão. 
 
Corpo 
 
É a peça inteiriçada que contém todos os componentes do swivel, onde se mantém o 
óleo lubrificante das partes internas. 
 
É vedado em suas extremidades por gaxetas para evitar vazamentos e entradade 
corpos estranhos. 
 
Mandril 
 
Localizado na parte inferior do swivel, está ligado à haste quadrada, e portanto, é um 
elemento girante. Sua parte superior é flangeada, o que serve de batente para seu apoio 
no rolamento principal do swivel. 
 
Rolamento Principal 
 
Conforme acima citado, é onde o mandril se apoia. Como este está ligado à coluna de 
perfuração, o rolamento suporta o peso da coluna, que pode girar em rotações 
consideráveis. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 23
 
 
Devido a essas cargas, o rolamento determina a capacidade do swivel. Deve trabalhar 
sempre imerso em óleo, evitando desgaste excessivo. 
 
Camisa 
 
É um tubo de aço com superfície cromada que liga o pescoço de ganso (fixo) ao mandril 
(girante), permitindo o fluxo do fluido de perfuração. 
 
Engaxetamento 
 
É o que promove a vedação entre o mandril e a camisa. As gaxetas estão contidas na 
caixa de gaxetas ligada ao mandril. Assim as gaxetas giram também, em torno da 
camisa. Esse movimento relativo provoca um desgaste nas gaxetas e na superfície da 
camisa (daí sua superfície ser cromada), que, quando excessiva, causa um vazamento 
de fluido de perfuração, o que implica em parada da operação para substituição. Por 
isso, deve-se controlar a situação do desgaste, prevendo com antecedência a melhor 
ocasião para a troca desses sobressalentes, evitando paradas desnecessárias da 
operação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.23 – Swivel 
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2.2. Top-drive 
 
O sistema de perfuração com Top-drive elimina o uso da mesa rotativa, kelly e bucha do 
kelly. A coluna de perfuração gira movida por um motor conectado diretamente no seu 
topo. Este motor, elétrico de corrente contínua, é montado com o swivel convencional e 
desliza sobre trilhos, fixados à torre, permitindo a movimentação vertical da coluna (fig. 
1.24). 
 
Fig. 1.24 – Top-drive. 
 
 
O Top-drive apresenta, além do motor e transmissão, um sistema de manuseio de tubos 
- "Pipehandler" - que permite içar e descer a coluna de perfuração, além de conectar ou 
desconectar a coluna do motor. É composto pelo adaptador dos braços do elevador, de 
elevador e braços de elevador convencionais e da chave de torque (fig. 1.25). 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 25
 
 
 
Fig. 1.25 – Top-drive. 
 
A chave de torque ("Torque Wrench") é atuada hidraulicamente e pode 
conectar/desconectar a coluna em qualquer altura da torre. 
 
2.3. Motor de Fundo 
 
Quando se perfura com motor de fundo, o torque é aplicado diretamente à broca, sem 
necessidade de girar a coluna de perfuração, reduzindo o desgaste dos tubos de 
perfuração e do revestimento já descido no poço. 
 
Tipicamente, um motor de fundo é constituído de uma válvula de desvio (“bypass 
valve”), o motor propriamente dito e o conjunto de rolamentos. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 26
 
 
A válvula de desvio, colocada no topo da ferramenta, permite a entrada de fluido durante 
a descida e a drenagem do fluido durante a retirada da coluna de perfuração. 
 
O motor de fundo pode ser de deslocamento positivo ou turbina. 
 
Os motores de deslocamento positivo operam segundo o princípio de Moineau. O fluido 
de perfuração é bombeado através de cavidades entre o rotor de aço e o estator de 
elastômero, ambos helicoidais, provocando o giro do rotor, que se acopla à broca na sua 
extremidade inferior (fig. 1.26). Os motores de deslocamento positivo convencionais têm 
estatores com dois lobos para um rotor de um lobo. Atualmente existem motores com 
rotores e estatores de múltiplos lobos, sempre o rotor com um lobo a menos que o 
estator. O maior número de lobos permite obter-se maior potência a menores rotações e 
maior torque (fig. 1.27). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.26 – Motor de deslocamento positivo. Fig. 1.27 – Vista em corte de um motor de deslocamento positivo. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 27
 
 
As turbinas são compostas de 50 a 300 estágios de rotores e estatores. Cada estágio 
consiste num conjunto de aletas fixas ao eixo movido, o rotor, e outro conjunto fixado ao 
corpo da turbina, o estator. À medida que o fluido de perfuração passa pelo estator, o 
correspondente rotor é forçado a girar. Como a vazão mássica de fluido é constante, a 
potência desenvolvida é função do número de estágios da turbina (fig. 1.28). 
 
 
Fig. 1.28 – Turbina. 
 
O conjunto de rolamentos ajuda a transmissão de peso e rotação para a broca. 
Absorvem, além de axiais, esforços radiais provenientes da vibração e dobramento da 
coluna. 
 
 
3. SISTEMA DE CIRCULAÇÃO 
 
O Sistema de Circulação é o responsável pelo bombeamento do fluido de perfuração à 
pressão e vazão adequadas para as operações de perfuração. Além disso, neste 
sistema estão os equipamentos que promovem o tratamento do fluido de perfuração 
após a saída do poço, livrando-o de sólidos e fluidos indesejáveis. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 28
 
 
Os principais elementos que o compõe são (fig. 1.29): 
 
• tanques de lama 
• bombas de lama 
• manifold 
• tubo bengala/mangueira de lama 
• saída de lama 
• sistema de tratamento da lama 
 
3.1. Tanques de lama 
 
Os tanques de lama, feitos de chapas de aço, armazenam a lama na superfície. São 
interligados entre si por tubos de aço ou mangotes flexíveis e conectados aos 
equipamentos do sistema de tratamento. 
 
3.2. Bombas de Lama 
 
As bombas de lama são as responsáveis pelo fornecimento de energia ao fluido para a 
circulação. São bombas volumétricas alternativas de pistões horizontais constituídas 
fundamentalmente de duas partes: 
 
• parte mecânica (power end), que recebe a energia de acionamento na forma rotativa 
e a transforma em movimento alternativo; 
 
• parte hidráulica (fluid end), onde a potência mecânica alternativa é transferida ao 
fluido na forma pressão x vazão. 
 
O acionamento das bombas de lama é feito por motores independentes, tanto nas 
sondas diesel-elétricas como nas mecânicas (fig. 1.30). 
 
 
 
 
 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 29
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.29 – Sistema de circulação 
Bomba 
Tubo Bengala Mangueira 
Swivel 
Kelly 
Interior da Coluna 
Jatos da Broca 
Anular 
Tanques de Lama 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 30
 
 
 
 
Fig. 1.30 – Esquema de acionamento da bomba de lama. 
 
As bombas de lama podem ser de dois tipos: 
 
• Duplex, que possuem dois cilindros horizontais, ou seja, dois pistões, de duplo 
efeito; o bombeamento é realizado nos dois sentidos do curso do pistão. Assim, em 
cada cilindro, enquanto num dos lados do pistão se está succionando, no outro se 
está descarregando (fig. 1.31 e 1.32). 
 
 
Fig. 1.31 – Fluid-end de uma bomba duplex. 
 
 
Fig. 1.32 – Esquema de um fluid-end de uma bomba duplex. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 31
 
 
• Triplex, com três pistões de simples efeito: apenas na face anterior do pistão se 
succiona e se descarrega (fig. 1.33 e 1.34). 
 
Fig. 1.33 – Fluid-end de uma bomba triplex. 
 
Fig. 1.34 – Esquema de um fluid-end de uma bomba triplex. 
 
As bombas triplex vêm substituindo gradativamente as duplex de mesma potência, pois 
são menores, mais leves e tem custo menor, tanto de aquisição como de manutenção. 
 
Na figura 1.35 podemos observar as partes constuintes da bomba de lama. 
 
A parte mecânica, power end, recebe a energia através do eixo de entrada, apoiado na 
carcaça da bomba por dois rolamentosem suas extremidades. Este eixo, através de um 
pinhão, transmite a uma coroa colocada num eixo de manivelas. Em cada manivela 
deste eixo é colocado um eixo excêntrico, onde se conecta uma das extremidades da 
biela. Na outra extremidade da biela se conecta a cruzeta, que é apenas uma caixa 
metálica que se move alternativamente sobre uma telha. Na cruzeta se enrosca a haste 
intermediária, elemento fraco dimensionado para proteger a parte mecânica de danos no 
caso de qualquer irregularidade. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 32
 
 
A parte hidráulica, fluid end, é um corpo de aço fundido, fixado ao power end por 
prisioneiros, composto pela rede de dutos de sucção e descarga da bomba. Cada 
cilindro é revestido com uma camisa de aço, cuja superfície interna normalmente é 
cromada, onde trabalha o pistão. Cada cilindro tem para cada efeito (simples ou duplo) 
um duto de sucção e outro de descarga (potes). Assim, nas bombas duplex temos dois 
potes de sucção e dois de descarga por cilindro, totalizando oito potes. Da mesma 
maneira, nas bombas triplex têm-se seis potes no total. 
 
Cada pote, seja de sucção ou descarga, tem um alojamento onde fica assentada a sede 
da válvula, que dará passagem à lama. Na sucção, por exemplo, as válvulas nos potes 
de sucção são empurradas para cima permitindo a entrada de lama na camisa, ao 
mesmo tempo que a válvula de descarga é empurrada para baixo, vedando a entrada de 
lama pelo pote de descarga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.35 – Bomba triplex aberta 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 33
 
 
O acesso aos cilindros e aos potes para substituição de sobressalentes e inspeção 
visual se dá através de tampões enroscadas e vedados com juntas que garantem a 
estanqueidade da bomba. 
 
A vazão de lama no sistema de circulação depende do número de bombas em operação 
(normalmente as bombas operam em paralelo), da velocidade, diâmetro e curso dos 
pistões. O comprimento do curso e o diâmetro das hastes dos pistões são fixados para 
uma dada bomba. O diâmetro dos pistões pode ser mudado (trocando-se os próprios 
pistões) forçando, é óbvio, à mudança da camisa correspondente. 
 
A vazão de uma bomba de lama não é constante dentro de um ciclo. Ela é pulsante 
devido à variação da velocidade dos pistões: no início do ciclo é igual a zero, atingindo o 
valor máximo próximo à metade do curso. Para atenuar os efeitos danosos das 
conseqüentes vibrações na descarga da bomba, são utilizados amortecedores de 
pulsação na linha de recalque (fig. 1.36). 
 
 
Fig. 1.36 – Amortecedor de pulsação. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 34
 
 
3.3. Manifold 
 
É um conjunto de válvulas que recebe os mangotes de descarga das bombas e a linha 
de recalque para o tubo bengala, permitindo direcionar o fluxo para o poço por qualquer 
uma das bombas. 
 
3.4. Tubo Bengala / Mangeira de Lama 
 
O tubo bengala (standpipe) é um tubo vertical fixado à torre. Conjuntamente com a 
mangueira de lama, que é uma mangueira flexível, permitem que se bombeie lama em 
qualquer altura dentro da faixa de movimentação do swivel. 
 
3.5. Saída de Lama 
 
A saída de lama (flowline) é um tubo que conecta o espaço anular do poço com os 
tanques de lama. A lama ao sair do poço passa pela saída de lama e vai para a peneira 
vibratória, primeiro equipamento do sistema de tratamento da lama que a lama é forçada 
a percorrer antes de retornar para o tanque de sucção. 
 
3.6. Sistema de Tratamento da Lama 
 
O sistema de tratamento da lama é equipado para remover sólidos, resfriar, misturar, 
adicionar aditivos químicos e remover ar ou gás do fluido de perfuração. Geralmente é 
composto pelos seguintes equipamentos (fig. 1.37): 
Fig. 1.37 – Sistema de tratamento de lama. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 35
 
 
(a) Peneira Vibratória 
 
A peneira vibratória processa a separação dos sólidos grosseiros (cascalhos). É 
equipada com telas com aberturas variando de 10 a 150 mesh (mesh = número de 
aberturas por polegada linear), adequadas ao tipo de rocha perfurada. Com o 
movimento vibratório, os cascalhos "andam" pela tela inclinada até um defletor que os 
descarta. Os sólidos que passam através das telas são removidos por decantação no 
primeiro tanque de lama do sistema. 
 
O acionamento da peneira é feito por um motor elétrico de corrente alternada, de 2 a 5 
HP, que é ligado a um vibrador excêntrico (fig. 1.37). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.37 – Peneira vibratória. 
 
(b) Degaseificador 
 
É composto por um motor elétrico ligado por um eixo vertical a uma bomba centrífuga 
submersa no tanque de lama, que descarrega a lama diretamente sobre uma placa de 
desgaste. Esse impacto forma um leque circular de spray de lama, desprendendo o gás. 
A lama desliza pela parede interna e segue por gravidade a calha de descarga, 
retornando para o tanque (fig. 1.38). 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 36
 
 
 
Fig. 1.38 – Degaseificador. 
 
(c) Desareiador 
 
É um conjunto de dois ou três hidrociclones de 8" ou 10". O hidrociclone é cônico e 
possui duas saídas: a inferior, para as partículas sólidas descartadas, e outra superior, 
muito maior que a inferior, para o fluxo de lama. 
 
Uma bomba centrífuga impele a lama tangencialmente à circunferência interna da 
câmara superior do hidrociclone. O fluxo desce espiraladamente pela parede cônica até 
a abertura inferior, quando inverte o sentido e passa a subir espiraladamente pela parte 
central do hidrociclone. As partículas sólidas, devido sua maior massa e forças inerciais, 
não invertem o fluxo e continuam o movimento espiralado para baixo até serem 
descartadas pelo desareiador (fig. 1.39). 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 37
 
 
 
 
Fig. 1.39 – Desareiador. 
 
(d) Dessiltador 
 
Compõe-se de uma bateria de 8 a 12 hidrociclones de 4” ou 5”. Sua função é descartar 
partículas menores que 74 microns que tenham passado pelo desareiador (fig. 1.40). 
 
Fig. 1.40 – Dessiltador. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 38
 
 
(f) Centrífuga 
 
A centrífuga retira partículas ainda menores que não tenham sido descartadas pelos 
hidrociclones. Consta de um tambor que ao girar cria uma força centrífuga no fluido, 
forçando os sólidos para as paredes. As paredes são “raspadas” internamente 
descartando as partículas sólidas por um lado do tambor enquanto que a lama sai pelo 
outro (fig. 1.41). 
 
Fig. 1.41 – Esquema de uma centrífuga. 
 
 
Fig. 1.42a – Esquema de circulação de um agitador de fundo. 
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Fig. 1.42b – Agitador de fundo. 
 
 
Fig. 1.42c – Pistola de lama. 
 
(g) Misturadores 
 
Servem para homogeneizar a lama nos tanques. 
 
Podem ser de dois tipos: agitadores de fundo ou pistolas de lama. 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 40
 
 
No primeiro, um motor elétrico aciona um eixo vertical cuja extremidade inferior, 
acoplada a um conjunto de palhetas, fica submersa no tanque. 
 
A pistola de lama é um tubo colocado na borda do tanque com um jato na extremidade. 
A lama é injetada através de uma bomba centrífuga para o tanque provocando 
turbulência (fig. 1.42). 
 
(h) Funil de Mistura 
 
É ligado a um compartimento do tanque de sucção e serve para adicionar aditivos em pó 
ao fluido de perfuração. Possui uma restrição ao fluxo bem abaixo da extremidade 
inferior o que aumenta a turbulência na lama ao receber o material pelo funil provocando 
a mistura (fig. 1.43). 
 
 
Fig. 1.43– Funil de mistura. 
 
Quando se utiliza a técnica de Perfuração a Ar algumas adaptações devem ser 
efetuadas na sonda rotativa convencional. O termo Perfuração a Ar engloba 4 técnicas 
distintas. 
 
• Perfuração com ar puro ou com gás (Air Drilling) 
• Perfuração com névoa (Mist Drilling) 
• Perfuração com espuma (Foam Drilling) 
• Perfuração com fluidos aerados (Aerated Fluids Drilling) 
Sistemas de Sonda – Ronaldo Ribeiro 41
 
 
Os equipamentos básicos são (fig. 1.44): 
 
 
(a) Compressor Primário 
 
Normalmente alternativos de curso completo, com 4 cilindros e 3 estágios. São 
montados em paralelo e a pressão máxima de operação fica em torno de 300 psi. 
 
(b) Compressor Secundário (Booster) 
 
Também alternativos de curso completo, 2 cilindros e 2 estágios. Recebe o ar 
comprimido dos compressores primários e o processa para pressões da ordem de 1500 
psi. 
 
(c) Unidade de Espuma 
 
É composta essencialmente de reservatório para água e bombas para injeção de água, 
aditivos líquidos e sólidos pulverizados na linha principal de ar. 
 
(d) Unidade Registradora das Pressões 
 
Registra numa carta as pressões ao longo de 24 horas de operação. 
 
(e) Linha Principal de Ar, Válvulas e Manifold 
 
Instalados de modo a permitir fácil controle do fluxo do fluido circulante. O manifold e as 
válvulas são geralmente instalados na plataforma da sonda com o manômetro voltado 
para o operador. Na linha principal de ar deve ser instalada uma linha de alívio das 
pressões dos compressores. 
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(f) Cabeça Rotativa (Rotating Head) 
 
Este equipamento mantém um selo constante ao redor da coluna de perfuração, exceto 
nos comandos e broca. Um anel de borracha impede a passagem de poeira e de sólidos 
perfurados para a plataforma de trabalho, desviando-se para a linha de descarga. 
 
(g) Linha de Descarga 
 
Esta linha tem cerca de 60m de comprimento com seção transversal correspondente à 
do espaço anular do poço. Tem a finalidade de conduzir os cascalhos até o dique. 
 
 
Fig. 1.44 – Sistema de circulação de ar.