Broca Tricônica - Apostila

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INTRODUÇÃO ÀS BROCAS TRICÔNICAS PARA POÇOS TUBULARES 
 Nov/2023 
A. Objetivos 
 
A broca tricônica é a primeira peça que vai formar a 
composição de perfuração ou BHA. 
Escolher a broca tricônica adequada, desempenha um 
papel fundamental no sucesso da perfuração. A broca 
correta reduz manobras, tempo de paralização e 
custos. Propicia uma perfuração mais rápida e 
eficiente. 
Quando falamos em sucesso, aqui nos referimos ao 
tempo de avanço, à configuração do diâmetro e 
estabilidade das paredes do furo e à minimização do 
desgaste da broca aumentando seu tempo de vida e metragem produzida. 
 
 
Temos os seguintes objetivos para esse treinamento: 
Compreender a relação entre os tipos de brocas e as resistências mecânicas das rochas. 
Aprender as melhores práticas de utilização principalmente no contexto de perfuração de minério de 
ferro brasileiro. 
B. O que são brocas tricônicas ? 
 
 
 
 A broca é a peça básica do BHA, que quer dizer bore hole assembly ou 
como falado no jargão dos perfuradores, peça fundamental do "Trem 
de Perfuração". Em contato direto com a rocha, vai, através de seus 
dentes e movimento de rotação, fragmentar o bloco rochoso em 
pequenos pedaços, esculpindo o formato cilíndrico do furo, no 
diâmetro desejado e permitindo que sejam transportados até a 
superfície do terreno. 
 
 
 
As brocas têm seu corpo formado por um maciço de aço muito resistente, como se fosse os chassis de 
um veículo, no qual estão montados um arranjo de partes rodantes. O corpo é projetado para suportar 
as forças aplicadas durante a perfuração e transmiti-las aos cones. 
 
 Assim como existem muitos tipos de rochas, cada uma apresentando características de texturas e 
dureza dos minerais que as compõem, a indústria metalúrgica desenvolveu diversos tipos de materiais 
resistentes para fabricar as brocas tricônicas. Elas podem ter partes móveis ou podem ser sem partes 
móveis. As brocas sem partes móveis possuem os elementos cortantes fixados ao corpo da broca ao 
contrário das com partes móveis, em que esses elementos estão fixados aos cones existentes. são as 
brocas de diamantes sintéticos (PDC, Impregnadas) e as de diamantes naturais. Neste tipo a perfuração 
se dá com a aplicação de peso da coluna em seus cortadores, de tal modo que seu contato com a 
formação, associado à rotação, provoca a raspagem da formação, gerando os cascalhos ou fragmentos. A 
lubrificação pela lama em circulação no poço garante o resfriamento adequado . São chamada de brocas 
PDC por causa do componente cortante que o diamante sintético PDC (Polycrystalline Diamond Compact), 
que, possui alta resistência à abrasão, e parâmetros como aas propriedades do diamante, altura e volume 
do cortador são levadas em consideração na hora da escolha. São utilizados em formações moles até 
semi-abrasivas e semi-duras e possuem como mecanismo de corte a raspagem da rocha. As melhores 
aplicações são em folhelhos, margas, rochas salinas, carbonatos e arenitos (CARVALHO; VIEIRA, 2014). 
O perfurador de poços para água subterrânea, que trabalha rochas metamórficas, usualmente obtém 
melhores resultados com brocas com partes rodantes. 
Os componentes internos rodantes de uma broca tricônica incluem: 
Um rolamento, que permite que as cabeças do cone girem livremente em torno de um eixo central. O 
rolamento pode ser do tipo flutuante, que usa componentes elásticos e resistentes ao calor para reduzir 
o atrito e o desgaste, ou do tipo selado, que usa um anel de vedação para impedir a entrada de fluidos e 
detritos na cavidade do rolamento. 
Um lubrificante, que é um material sólido ou líquido que reduz o atrito e o calor gerados pelo movimento 
das cabeças do cone. O lubrificante pode ser aplicado na superfície dos componentes do rolamento ou 
injetado na cavidade do rolamento através de um canal. 
 Uma característica interessante das brocas é o off set entre os cones. que é a medida de quanto 
os eixos dos cones são deslocados, tal que estes eixos não se interceptem em um ponto comum. Este 
offset faz com que cada cone pare de girar periodicamente enquanto a broca sofre rotação, para então 
arrancar um pedaço da formação, como se fosse uma broca PDC. A Figura 48 mostra a diferença de offsets 
para cada tipo de formação (CARVALHO; VIEIRA, 2014). 
 
 
 Se eixos dos cones terminarem no 
mesmo ponto, os cones girariam 
centrados com a broca e os dentes 
não teriam qualquer efeito de 
raspagem na rocha. Eles se 
comportariam como uma esfera 
rodando sobre a rocha, com no 
máximo uma capacidade de 
esmagamento pelo peso aplicado 
sobre ela. 
 
 
 
 
 Assim além do aço especial que comporta o corpo da tricônica, as partes rodantes, que constotuem 
estrutura de corte e raspagem, podem ter dentes compostos por materiais variados sendo os principais: 
 Cones com bottons de Vídea que é uma liga metálica feita com aço e tungstênio 
 Cones com dentes de Aço de alta resistência á abrasividade 
 Brocas Mista com os cones de vídea e proteções laterais extras muitas vezes feitas com diamantes 
industriais. 
 
 
 
 
 Alguns fatores são considerados muito importantes ao escolher por uma broca tricônica. 
a) Condições geológicas a serem perfuradas. 
Existem muitos tipos de rochas nas quais as brocas tricônicas são empregadas. Classicamente 
são utilizadas nas rochas sedimentares, mas podem ser utilizadas também em rochas 
metamórficas que apresentem certo grau de decomposição e nas partes superiores de rochas 
magmáticas em avançado estado de decomposição. Então compreender previamente a dureza 
do material é fundamental para fazer essas escolhas. 
b) O rendimento das tricônicas utilizada nos poços vizinhos ou no mesmo contexto litológico. 
O acompanhamento e registro fidedigno do estado inicial e do desempenho das tricônicas em 
determinada área traz muitas vantagens para a tomada de decisões sobre que tipo de broca 
utilizar. 
c) O rendimento e desgaste observado no próprio furo em execução. 
É muito comum que durante a perfuração uma queda, mesmo que pontual, do rendimento de 
uma tricônica, ou diante da mudança litológica, instigue de imediato, discussões à respeito da 
adequação da mesma. 
 
d) Objetivo da perfuração em cada fase do trabalho. 
Exemplos: 
- Perfuração para aplicação de tubos de boca exigem diâmetros maiores e reaberturas. 
 Geralmente solicitam alargadores com cones de dentes de aço, já que a meta são solos 
e rochas inconsolidados 
- Furos de investigação, e perfilagens geofísicas: diâmetros menores, geralmente 8 ½" ou 12 ¼" 
de polegadas com dentes condizentes com as litologias previstas. 
e) O custo da operação. 
Quando se fala em eficiência não estamos pensando apenas na durabilidade e na produtividade 
separadamente. Juntas e com os consumos de fluido e combustíveis envolvidos elas compõem 
os custos variáveis e alto impacto de toda a operação. 
 Toda empresa costuma desenvolver seu próprio sistema de registro e análise dessas informações 
visando uma evolução nas decisões a cada nova informação agregada. Geralmente são configuradas 
tabelas comparativas. 
 Uma estratégia bastante utilizada também é o revezamento, as vezes experimental, entre brocas 
de tipos diferentes, conforme particularidades locais se apresentem. 
 Tendo em vista a enorme variedade desde há muitos anos, de tipos possíveis de fabricação para 
esse componente a indústria desenvolveu uma classificação para elas que facilita a escolha e análise 
comparativa de resultados de performance. 
C. IADC 
A ASSOCIAÇÃO INTERNACIONAL DE COMPANHIAS DE PERFURAÇÃO (IADC – International Association of 
Drilling Contractors) que desde 1940 desenvolveu um sistema padronizado para uso das Brocas 
Tricônicas, com uma sequência de dígitos, como mostra a figura abaixo que ficou conhecido como IADC. 
IADC criou o seguinte o código de classificação:N1, N2 e N3 
 • O primeiro número, 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; 
8 - Dentes de insertos de tungstênio para formações muito duras. 
 O segundo número 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. 
 • 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. 
 
Assim, independente da classificação de modelo que cada fabricante usar, o IADC, mais aproximado 
dessas características, virá registrado no topo da broca, facilitando o entendimento de para que tipo de 
materiais foi fabricada. Uma letra pode ser acrescentada após o número como um símbolo para explicar 
melhor alguma característica de aplicação da broca. 
 
IADC - Código de Feições 
A: Aplicação para ar comprimido L: Dentes de arrasto 
B: Selo especial de vedação M: Motor de Fundo 
C: Jato central S: Modelo de Dentes de Aço Standard 
D: Desvio Controlado T: Broca de Dois cones 
E: Jatos longos W: Estrutura de Corte aprimorada 
G: Corpo com proteção lateral X:Dentes em forma de cinzel 
H: Horizontal/ Aplicação de 
Direção Y: Dentes cônicos 
J: Jatos inclinados Z: Outros perfis de insertos 
 
Exemplos de IADC 
 
 
A Broca 1 -IADC 135 M 
N1 = 1 => de dente de aço pra formações moles: 
N2=3 => Pode ser usada em formações médias e duras; 
N3 = 5 => Tem rolamento selado com proteção de calibre 
M => Pra ser usada sob motor de fundo 
 
Broca 2 – IADC 447 X 
N1 = 4 => Dentes de tungstênio pra formações muito moles. 
N2 = 4 => Confirma que fura formações médias moles. 
N3 – 7 => Rolamentos selados, de fricção com proteção de calibre. 
X = os Dentes tem forma de bizel. 
Broca 3 – IADC 637Y 
N1 = 6 => Dentes de tungstênio pra formações duras 
N2 = 3 => Para ser usada em formações médias e duras. 
N3 – 7 => Rolamentos selados, de fricção com proteção de calibre. 
Y = Dentes tem forma cônica ou balística. 
 
 
Entretanto, é preciso tomar cuidado, pois peso excessivo sobre a broca de dentes e de insertos acarreta 
quebra de cortadores, desvio do poço, enceramento e falha prematura de rolamentos. Além disso, em 
certas formações o tempo de contato do inserto (ou do dente) com a formação, influi na taxa de 
penetração: o excesso de rotação pode levar a um declínio da taxa, e à quebra de dentes e insertos, 
encurtando a vida da broca (CARVALHO; VIEIRA, 2014). 
A aplicação de peso da coluna em seus dentes ou insertos, faz com quem seu mecanismo de corte seja o 
esmagamento ou lascamento (compressão), gerando os cascalhos. Em formações mais duras é 
recomendado o uso de brocas com maior quantidade de insertos (ou dentes) e com eles sendo menores. 
Em formações moles utilizam-se brocas com menor quantidade de insertos (ou dentes), com menos 
fileiras e maior espaçamento entre eles e com base mais larga. Já em formações médias, possuem mais 
fileiras de insertos ou dentes, menor espaçamento entre eles e dentes ou insertos mais curtos e com uma 
base mais estreita. 
 
 
D. WOB ou Peso sobre Broca 
O peso sobre broca ou WOB é um dos principais parâmetros que influenciam na eficiência da perfuração. 
Um WOB adequado garante uma perfuração mais rápida e eficiente, além de reduzir os custos 
operacionais. Por outro lado, um WOB excessivo pode causar danos à broca e às rochas, aumentando os 
custos de manutenção e reparos. 
Para Ajustar o WOB adequado para cada tipo de rocha, o perfurador de poços novamente, pode e deve 
ajustar durante a perfuração sendo possível antecipar um pouco no planejamento baseado por meio do 
registro de controles já experimentados na área. 
Alguns fatores que podem afetar o WOB são: o diâmetro, o comprimento, o tipo e o número de dentes, 
o material, a viscosidade e a densidade do fluido de perfuração, a taxa de rotação da coluna de perfuração, 
entre outros. 
 Existem inclusive diferentes modelos e fórmulas que relacionam o WOB com a taxa de perfuração (ROP), 
que podem ser usados para otimizar a operação. 
Mas o perfurador de poços de água que trabalha em uma mesma formação, raramente os utiliza, 
preferindo dar mais atenção às suas próprias experiencias práticas. Por isso não os abordaremos neste 
curso. 
Na Geosol alguns critérios de dureza de rocha são estabelecidos com bases indiretas retiradas dessas 
fórmulas. 
E. Rotação do ferramental 
A taxa de rotação ideal para uma broca tricônica depende muito da taxa de penetração e da vazão ou 
velocidade de limpeza do furo. 
Fatores, como o tipo, o tamanho e a dureza da formação rochosa, a pressão e a vazão do fluido de 
perfuração, o peso aplicado sobre a broca, entre outros. 
Não há uma fórmula única que possa determinar a taxa de rotação ideal para todas as situações, mas 
existem algumas recomendações gerais que podem ajudar a escolher uma taxa adequada para cada caso. 
Em geral, as brocas tricônicas funcionam melhor com uma taxa de rotação moderada, nas sondas de 
médio porte varia entre 20 e 40 rpm. EM sondas de grande porte uma rotação entre 60 e 120 RPM é o 
ideal. Uma taxa muito baixa pode reduzir a eficiência da perfuração e aumentar o desgaste dos dentes da 
broca. Uma taxa muito alta pode gerar calor excessivo e danificar os rolamentos e os dentes e as 
engrenagens da broca. Além disso, uma taxa muito alta pode causar vibrações indesejadas na coluna de 
perfuração, prejudicando a estabilidade e a verticalidade do furo. 
A taxa de rotação ideal também depende do diâmetro da broca. Em geral, quanto maior o diâmetro, 
menor deve ser a taxa de rotação. Isso se deve ao fato de que o diâmetro afeta a velocidade de corte da 
broca, que é a velocidade com que os dentes da broca entram em contato com a rocha. A velocidade de 
corte é proporcional ao produto do diâmetro pela taxa de rotação. 
No entanto, uma taxa de rotação mais precisa irá, no caso de formações de rochas metamórficas com 
bandamentos de diferentes composições, assim como nas rochas plutônicas, variar para cada situação e 
profundidades específicas. 
F. Velocidade de limpeza do furo 
A velocidade de subida pelo espaço anelar é um parâmetro importante para limpar um furo pois influencia 
na remoção dos detritos gerados pela broca e na prevenção de problemas como o aprisionamento da 
coluna de perfuração, a perda de circulação do fluido de perfuração e a formação de torta de filtração. A 
velocidade de subida pelo espaço anelar depende diretamente da vazão do fluido de perfuração, do 
diâmetro da coluna de perfuração e do diâmetro do furo. 
Ela pode ser estimada pela seguinte fórmula: 
v = Q / (π * (Df^2 - Dc^2) / 4) 
Onde: 
v = velocidade de subida pelo espaço anelar (m/s) 
Q = vazão do fluido de perfuração (m^3/s) 
Df = diâmetro do furo (m) 
Dc = diâmetro da coluna de perfuração (m) 
π = constante matemática (3,14) 
A densidade do material que está sendo perfurado é um fator importante quando se trata de estimar esse 
tempo nas áreas de mineração pois as diferenças entre as densidades dos minerais irão levar à 
segregação, à separação por fases, dosmesmos durante a subida. Desse modo cada um deles levará 
tempos diferentes. É preciso muita cautela. 
A granulometria dos detritos, a densidade e a viscosidade do fluido de perfuração, a inclinação e a 
rugosidade das paredes do furo, entre outros fatores impactam nessa velocidade. Não há um valor único 
que possa ser aplicado para todas as situações, mas existem algumas recomendações gerais que podem 
ajudar a escolher uma velocidade adequada para cada caso. 
Em geral, a velocidade de subida pelo espaço anelar deve ser suficiente para transportar os detritos até a 
superfície sem causar erosão nas paredes do furo ou na coluna de perfuração. Uma velocidade muito 
baixa pode resultar em acúmulo de detritos no fundo do furo, dificultando a penetração da broca e 
aumentando o risco de aprisionamento da coluna. Uma velocidade muito alta pode gerar uma pressão 
excessiva no espaço anelar, provocando perda de fluido para a formação e danos ao revestimento do 
furo. 
Segundo alguns autores, a velocidade de subida pelo espaço anelar ideal para limpar um furo durante a 
perfuração de um poço deve estar entre os seguintes limites: 
Para formações consolidadas (rochas duras), entre 0,6 e 1,2 m/s. 
Para formações não consolidadas (areias e argilas), entre 0,9 e 1,8 m/s. 
Esses valores podem variar em função das características específicas de cada poço e devem ser ajustados 
conforme os resultados obtidos em termos de taxa de perfuração (ROP), vibrações, desgaste da broca, 
entre outros parâmetros operacionais. 
Espero que isso te ajude a entender melhor o conceito e a aplicação do peso sobre broca ou WOB na 
perfuração de poços.