03_APOSTILA DE COLUNA DE PERFURA__O

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Coluna de Perfuração 1
SEREC/CEN-NOR
Coluna de Perfuração
1 - Introdução
As principais funções da coluna de perfuração são:
5 Aplicar peso sobre a broca
5 Transmitir a rotação para a broca
5 Conduzir o fluido de perfuração
5 Manter o poço calibrado
5 Garantir a inclinação e a direção do poço
Uma coluna de perfuração é composta basicamente dos elementos
5 Kelly ou Haste quadrada
5 Drill Pipe ou Tubos de perfuração (DP)
5 Hevi-Wate ou Tubos pesados (HW)
5 Drill Colar ou Comandos (DC)
Em conjunto com estes elementos são necessários diversos outros para
permitir a utilização eficiente de uma coluna de perfuração, tais como, os
elementos acessórios da coluna e elementos para o seu manuseio.
Os principais acessórios são
5 Subs ou Substitutos
5 Estabilizadores
5 Roller Reamer ou Escareadores
5 Alargadores
5 Amortecedores de choque
As principais ferramentas de manuseio são:
5 Chave flutuante
5 Chave de broca
5 Cunha
5 Colar de Segurança
2 Coluna de Perfuração
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2 - Kelly
Kelly ou Haste quadrada tem como
principal função transmitir o torque
fornecido pela mesa rotativa, para a
coluna, em forma de rotação. Como parte
integrante da coluna o kelly deve permitir
a passagem de fluido por seu interior. É
ele que faz a ligação entre o Swivel
(Cabeça de Injeção) e a coluna de
perfuração.
A normalização do kelly pode ser
encontrada no API Spec RP7G, item 6 e
na API Spec 7, seção 3
Os Kelly’s são fabricados com ligas
modificadas, AISI 14145-H, revenidas e
temperadas. O Kelly pode ser forjado já
na forma definitiva, quando depois recebe
um tratamento de descarburização, o que
causa um amolecimento superficial,
permitindo assim que o kelly sofra um
desgaste maior do que a sua bucha; ou
pode ser forjado e usinado, recebendo
após um tratamento térmico. A escala de
dureza varia entre 285 a 341 BNH.
Por ser ele o elemento que recebe o
torque na parte intermediária, suas
roscas são diferentes. Na parte superior a
rosca é a esquerda, enquanto na inferior
a rosca é a direita.
Coluna de Perfuração 3
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Para a escolha do Kelly se deve obedecer a seguinte tabela:
Tipo Corpo Conexão Mínimo (OD)
pol Tipo OD Revestimento
2 1/2” Quadrada 1 1/4” NC26 (2 3/8” IF) 3 3/8” 4 1/2”
3” Quadrada 1 3/4” NC31 (2 7/8”IF) 4 1/8” 5 1/2”
3 1/2” Quadrada 2 1/4” NC38 (3 1/2” IF) 4 3/4” 6 5/8”
4 1/4” Quadrada 2 13/16” NC46 (4” IF) 6 1/4” 8 5/8”
4 1/4” Quadrada 2 13/16” NC50 (4 1/2” IF) 6 3/8” 8 5/8”
5 1/4” Quadrada 3 1/4” (5 1/2” FH) 7” 9 5/8”
3” Hexagonal 1 1/2” NC26 (2 3/8” IF) 3 3/8” 4 1/2”
3 1/2” Hexagonal 1 7/8” NC31 (2 7/8”IF) 4 1/8” 5 1/2”
4 1/4” Hexagonal 2 1/4” NC38 (3 1/2” IF) 4 3/4” 6 5/8”
5 1/4” Hexagonal 3” NC46 (4” IF) 6 1/4” 8 5/8”
5 1/4” Hexagonal 3 1/4” NC50 (4 1/2” IF) 6 3/8” 8 5/8”
6” Hexagonal 3 1/2” (5 1/2” FH) 7” 9 5/8”
Pode-se observar que para o mesmo revestimento mínimo o Kelly
hexagonal é mais robusto que o quadrado, isto faz que o Kelly hexagonal
tenha um nível de tensão menor e consequentemente uma maior
resistência a fadiga do que a do Kelly quadrado.
Um componente, comumente conectado a extremidade inferior do kelly é o
sub de salvação do kelly, este é um pequeno tubo caixa x pino com função
de proteger a rosca do kelly dos constantes enroscamentos e
desenroscamentos das conexões, inerentes ao processo de perfuração.
Este sub de salvação pode também funcionar como sub de rosca (roscas
diferentes nas suas conexões) quando a conexão do Kelly for diferente da
conexão da coluna de perfuração.
Para conseguir o fechamento do interior da coluna em caso de Kick (influxo
da formação para o interior do poço) o Kelly normalmente possui duas
válvulas:
5 Kelly Cock Superior (Opcional)
5 Kelly Cock Inferior
4 Coluna de Perfuração
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Estas válvulas deverão ser testadas segundo a tabela abaixo:
Máxima Pressão de Trabalho Mínima Pressão Hidrostática
de teste (Shell)
psi MPa psi Mpa
5000 34,5 10000 68,9
10000 68,9 15000 103,4
15000 103,4 22500 155,1
O Kelly não deve apresentar empenos e o centro da seção transversal
circular interna deve coincidir com o centro geométrico da sua seção
transversal metálica; isto assegura simetria e equilíbrio durante a rotação.
Ao se trabalhar com o kelly desequilibrado ou empenado, ocorrem
vibrações no topo da coluna, causando maior nível de desgaste, tanto no
equipamento de superfície, quanto nas conexões da própria coluna de
perfuração.
3 - Tubos de Perfuração (Drill Pipe)
São tubos sem costura (ream less) feitos por extrusão de aço
especial, reforçados nas extremidades para permitir que uniões
cônicas sejam soldadas nestas extremidades. Existem tubos de
perfuração de alumínio para aplicações especiais. As suas
principais funções são:
5 Permitir circular o fluido de perfuração
5 Transmitir o torque e rotação
A normalização dos tubos de perfuração estão nas normas API
Spec 5A e RP7G. Nestas normas estão as principais
características dos tubos de perfuração como as propriedades
físicas do aço, método de fabricação, espessura da parede,
diâmetros interno e externo, comprimento e peso do tubo.
Na especificação do tubo de perfuração deve constar:
5 Diâmetro Nominal (OD)
5 Peso Nominal
5 Grau do Aço
5 Reforço (upset)
5 Comprimento Nominal
5 Desgaste
5 Características Especiais
Coluna de Perfuração 5
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Diâmetro nominal é o diâmetro externo do corpo do tubo expresso em
polegadas. Os valores mais utilizados ficam entre 2 3/8” e 6 5/8”.
Peso nominal é o valor médio do peso do corpo com os Tool Joint (Uniões
Cônicas) é expresso em lb/pé. Com o peso nominal e o diâmetro nominal
se determina as seguintes características:
5 Diâmetro Interno (ID)
5 Espessura da parede do Tubo
5 Drift - Máximo Diâmetro de Passagem
Grau do aço determina as tensões de escoamento e de ruptura do tubo de
perfuração. Os tipo de grau do aço são:
GRAU ESCOAMENTO (psi) RUPTURA (psi)
Mínimo Máximo Mínimo
E 75.000 105.000 100.000
X 95 95.000 125.000 110.000
G 105 105.000 135.000 115.000
S 135 135.000 165.000 145.000
O reforço na extremidade do tubo tem como função criar uma área maior
de maior resistência onde é soldada a união cônica, minimizando assim o
problema de quebra por fadiga. Este reforço pode ser:
5 Interno (IU) Internal Upset
5 Externo (EU) External Upset
5 Misto (IEU) Internal-External Upset
Internal Upset External Upset Internal-External Upset
Comprimento é o tamanho médio dos tubos de perfuração. Existem três
grupos em função do comprimento:
5 Range I 18 a 22 pés Média 20 pés
5 Range II 27 a 32 pés Média 30 pés
5 Range III 38 a 45 pés Média 40 pés
Na Petrobrás a grande maioria das sondas utiliza tubos de perfuração do
range II.
6 Coluna de Perfuração
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O desgaste está relacionado com a espessura da parede do tubo de
perfuração. Conforme os tubos vão sendo utilizados, eles vão tendo sua
espessura da parede diminuída; periodicamente os tubos são
inspecionados e classificados de acordo com a norma API. O desgaste
esta diretamente relacionado com a resistência dos tubos de perfuração. A
classificação quanto ao desgaste é:
Classe Redução da Espessura Código Faixa/Cor
Novo 0 % 1 Faixa Branca
Premium de 0% a 20 % 2 Faixas Brancas
Classe 2 de 20 a 30% 1 Faixa Amarela
Classe 3 de 30 a 40% 1 Faixa Laranja
Rejeitado Maior que 40% 1 Faixa Vermelha
Um tubo de perfuração é novo só quando é comprado, assim que este tubo
é descido no poço ele já passa a condição de premium, em face que a
classe novo é apenas para desgaste zero na espessura.
Na perfuração no mar é comum utilizar apenas tubos de perfuração classe
premium, já para sondas de terra, principalmente as de menores
capacidades, pode utilizar classe 1 ou mesmo classe 2. Tubos com
desgaste maior que 40% na espessura não devem ser utilizados.
Nas características especiais são descritos alguns tratamentos ao quais os
tubosde perfuração são submetidos, como por exemplo capeamento
interno com resina, para diminuir o desgaste interno e a corrosão, ou um
tratamento para a proteção contra H2S.
As uniões cônicas, conhecidas como Tool Joints, são fixadas ao tubo de
perfuração por:
⇒ Enroscamento à Quente
 União Aquecida no Tubo Frio
⇒ Soldagem Integral
 Partes Aquecidas por indução e unidas com pressão e rotação
sem adição de material
¾ Flashwelding Soldagem com pré aquecimento
¾ Inertialwelding Soldagem a frio
As uniões cônicas facilitam o enroscamento dos tubos de perfuração, além
de promover a vedação, são dotadas de apoio para receber o elevador. As
vezes é adicionado material duro, carbureto de tungstênio, externamente
nestas uniões visando um menor desgaste em formações duras e
abrasivas e consequentemente um aumento na vida útil dos tubos de
Coluna de Perfuração 7
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perfuração, este aumento tem em contrapartida um maior desgaste do
revestimento do poço.
As roscas das uniões cônicas são padronizadas, pela API, levando em
conta o número de fios por polegada, a conicidade em porcentagem e o
perfil da rosca. As roscas mais comum são:
5 API
¾ IF Internal Flush Perfil V - 0,038R
¾ FH Full Hole Perfil V - 0,038R/V - 0,040
¾ REG Regular Perfil V - 0,040/V - 0,050
5 Não API
¾ XH Extra Hole
¾ SH Slim Hole
¾ EF External Flush
¾ DSL Double Streamline
¾ ACME Hydril
¾ H-90 Hughes Tool
A partir de 1968 a API recomenda uma nova maneira de se especificar as
conexões conhecido como NC
Importante lembrar que as roscas não promovem vedação, como acontece
no caso de tubos de revestimento e de produção, a vedação se processa
nos espelhos da caixa e pino. Então o aperto adequado das conexões é
muito importante, já que um aperto insuficiente pode provocar a passagem
do fluido de perfuração por entre as roscas e provocar a lavagem da rosca,
já um aperto excessivo pode deformar a rosca fragilizando a conexão. A
API traz o aperto recomendado para cada tipo de conexão.
Os tubos de perfuração são colocados no poço com a parte do pino para
baixo, assim deve se ter cuidado quando da conexão evitar que o pino bata
no espelho da caixa, danificando assim o local da vedação.
8 Coluna de Perfuração
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Listas das Roscas Intercambiáveis
NC26 2 3/8” IF
2 7/8” SH
NC31 2 7/8” IF
3 1/2" SH
NC38 3 1/2" IF
4 1/2" SH
NC40 4” FH
4 1/2" DSL
NC46 4” IF
4 1/2" XH
NC50 4 1/2" IF
5” XH
5 1/2" DSL
2 3/8” IF 2 7/8”SH
NC26
2 7/8” IF 3 1/2" SH
NC31
3 1/2" IF 4 1/2" SH
NC38
4” IF 4 1/2" XH
NC46
4 1/2" IF 5” XH
NC50
4” FH 4 1/2" DSL
NC40
2 7/8” XH 3 1/2" DSL
3 1/2" XH 4” SH
4 1/2" EF
4 1/2" XH 4” IF
NC46
5” XH 4 1/2" IF
NC50
2 7/8” SH 2 3/8” IF
NC26
3 1/2" SH 2 7/8” IF
NC31
4” SH 3 1/2" XH
4 1/2" EF
4 1/2" SH 3 1/2" IF
NC38
4 1/2" EF 4” SH
3 1/2" XH
3 1/2" DSL 2 7/8” XH
4 1/2" DSL 4” FH
NC40
5 1/2" DSL 4 1/2" IF
5” XH
NC50
Coluna de Perfuração 9
SEREC/CEN-NOR
É necessário uma preocupação com os esforços e estado do tubo,
tentando com isto evitar uma falha prematura da coluna, ocasionando com
isto pescarias, as quais são sempre muito onerosas.
Torque
O torque adequado nas uniões dos tubos de perfuração é muito importante,
já que a união é tipo macaco-parafuso, ao continuar a apertar a conexão
algo irá romper. Pode
romper o cabo da chave
flutuante, a própria chave, o
pino pode quebrar, ou a
caixa se alargar. Um torque
insuficiente faz que a
vedação nos espelhos não
fique adequada o que
permite a passagem de
fluido por entre os fios das
rosca, causando assim
uma lavagem da rosca, ou
mesmo uma lavagem da
conexão e
consequentemente a
quebra da conexão.
Fadiga
A fadiga é a causa da maioria das rupturas nos tubos de perfuração. A
fadiga aparece quando o tubos trabalham fletidos, isto causa o
aparecimento de uma carga cíclica. A primeira manifestação da fadiga é o
aparecimento de fissuras no tubo de perfuração, estas fissuras num
primeiro momento são invisíveis ao olho nu, sendo necessário se
programar inspeções periódicas nos tubos de perfuração, buscando com
isto detectar o mais cedo possível o aparecimento da fadiga.
Ranhuras e Sulcos
Os tubos de perfuração acumulam sulcos e ranhuras, pela ação das
cunhas, revestimento, transporte, etc. Quando elas são arredondadas ou
longitudinais os problemas são poucos, pois sendo arredondadas não
causam acúmulo de tensões, e sendo longitudinais seguem a direção dos
esforços principais. As ranhuras transversais e em especial as agudas são
10 Coluna de Perfuração
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muito perigosas, principalmente quando perto das uniões, pois ao
concentrarem as tensões facilitam o aparecimento das fissuras da fadiga.
Corrosão
A corrosão causa a formação de depressões na superfície do tubo
facilitando a ação da fadiga, causa também uma redução na espessura da
parede dos tubos, tendo assim uma diminuição na sua resistência.
Altura máxima
É necessário se quantificar a
máxima altura em que o tool joint
pode ficar durante as conexões,
para evitar que ocorra o
empenamento do tubo, o que vai
causar um problema em toda
coluna de perfuração.
Alguns cuidados precisam ser tomados em relação aos tubos de
perfuração:
1) Não usar cunha no lugar da chave flutuante durante as conexões. O
uso da cunha pode causar dano ao corpo do tubo.
2) Não usar martelo ou marreta para bater nos tubos. Caso seja
necessário utilizar marreta de bronze.
3) Deve-se evitar a utilização de corrente para enroscar tubos, pois caso
a corrente corra e se encaixe entre o pino e a caixa, pode vir a danificar
a rosca e o espelho.
4) Evitar a utilização de tubos tortos na coluna de perfuração, pois seu
uso causa um desgaste prematuro nas uniões cônicas.
5) Evitar torque excessivo durante as conexões e durante a perfuração
6) Evitar que os tubos de perfuração trabalhem em compressão
7) Caso na coluna não exista Heavy Weight, a cada manobra deve-se
mudar os tubos de perfuração que estão acima dos comandos.
8) Quando desconectar a coluna por unidade, retirar todos os protetores
de borracha existentes, minimizando assim a corrosão.
9) Quando os tubos estiverem estaleirados deve-se apoiar os tubos em
três pontos com tiras de madeira; uma em cada extremidade e outra
no meio. Nunca usar cabo de aço ou tubos de pequeno diâmetro.
Coluna de Perfuração 11
SEREC/CEN-NOR
10) No término de cada poço deve-se lavar as roscas com solvente
apropriado, secar, aplicar graxa e colocar os protetores de rosca.
11) Não usar chave de tubo (grifo) para alinhar as seções de tubos no
tabuleiro, isto danifica o espelho do pino.
4 - Comandos (Drill Collar)
A principal função dos comandos é fornecer peso sobre a
broca. Como parte integrante da coluna os comandos devem
transmitir o torque e a rotação a broca, bem como permitir a
passagem de fluidos.
Para fornecer peso sobre broca os comando são
tubos de parede espessa. Os comandos são liga de
aço cromo nolibdênio forjados e usinados no
diâmetro externo, sendo o diâmetro interno perfurado
a trépano. A escala de dureza dos comandos varia
de 285 a 341 BHN. São fabricados no range de 30 a
32 pés, podendo em casos especiais ter de 42 a 43,5
pés.
A conexão é usinada no próprio tubo e protegida por
uma camada fosfatada na superfície, ao contrário dos
tubos de perfuração as conexões são a parte mais
frágil dos comandos.
Os comandos podem ser lisos ou espiralados. Os
comandos espiralados tem uma redução de cerca de
4% no seu peso, mas graças a sua redução na área
de contato lateral os comandos espiralados tem
menos propensão a prisão por diferencial, sendo por
isso preferidos. Existem também comandos de seção
quadrada, com a função de prevenir a prisão por
diferencial, mas são pouco utilizados pela dificuldade
de ferramentas de pescaria.
Os comandos podem ter rebaixamento no ponto deaplicação das
cunhas, evitando com isso a necessidade de se utilizar o colar de
segurança durante as conexões, tendo então um ganho de tempo
durante as manobras. Podem também possuir pescoço para
adaptação de elevadores, neste caso evitando a utilização de lift-
12 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
sub, tendo novamente ganho no tempo de manobra.
Os comando em conjunto com os estabilizadores são usados para dar
rigidez à coluna, e utilizados também no controle da inclinação do poço.
A especificação dos comando é:
5 Diâmetro Externo
5 Diâmetro Interno
5 Tipo de Conexão
5 Características Especiais
O diâmetro externo, em polegadas, é escolhido em função do diâmetro do
poço e sempre levando em consideração a possibilidade de ser necessário
uma pescaria.
O diâmetro interno, também em polegadas, está diretamente relacionado
com o peso do comando, sendo muito comum se especificar o peso em
lb/pé no lugar do diâmetro interno.
As características especiais são: se o comando é espiralado, se tem
rebaixamento para a cunha, se tem pescoço para o elevador, se tem algum
tratamento especial, etc...
Existe um comando especial muito utilizado em perfuração direcional
conhecido com K-Monel, este comando tem todas as características dos
comandos, só que é feito de material não magnético o que permite se
registrar fotos magnéticas em seu interior.
A resistência dos comandos são:
Diâmetro Externo Limite de Escoamento Tensão de Ruptura
pol psi psi
de 3 1/8” a 6 7/8” 110.000 140.000
de 7”a 10” 100.000 135.000
O uso do torque recomendado é mais importante nos comandos, devido a
ser as conexões seu ponto frágil. O aperto deve ser feito com tração
constante e demorada nos cabos e nunca com puxões violentos devido a
sua grande inércia.
A quebra de coluna é muito mais freqüente nos comandos do que nos
tubos de perfuração, pois os esforços nos comando são mais severos e
também são submetidos a esforços maiores. Sendo assim durante as
manobras os comandos devem ser desconectados sempre nas juntas que
Coluna de Perfuração 13
SEREC/CEN-NOR
não foram desfeitas durante a última manobra, isto permite que todas as
conexões trabalhem igualmente, bem como permite uma inspeção visual
com igual freqüência em todas as conexões.
Diferente do tubos de perfuração, não há para os comando uma
classificação para o desgaste.
Além das seguintes recomendações que são iguais as dos tubos de
perfuração:
1) Não usar cunha no lugar da chave flutuante durante as conexões. O
uso da cunha pode causar dano ao corpo do tubo.
2) Não usar martelo ou marreta para bater nos tubos. Caso seja
necessário utilizar marreta de bronze.
3) Deve-se evitar a utilização de corrente para enroscar tubos, pois caso
a corrente corra e se encaixe entre o pino e a caixa, pode vir a danificar
a rosca e o espelho.
4) Evitar torque excessivo durante as conexões e durante a perfuração
5) Quando os comandos estiverem estaleirados deve-se apoiar os tubos
em três pontos com tiras de maneiras; uma em cada extremidade e
outra no meio. Nunca usar cabo de aço ou tubos de pequeno diâmetro.
6) No término de cada poço deve-se lavar as roscas com solvente
apropriado, secar, aplicar graxa e colocar os protetores de rosca.
7) Não usar chave de tubo (grifo) para alinhar as seções de comandos no
tabuleiro, isto danifica o espelho do pino.
Deve-se durante as movimentações utilizar o protetor de rosca e nunca
rolar os comandos, mas sim suspendê-lo pelo seu centro de gravidade.
5 - Tubos Pesados (Heavy Weight)
Os HW são elementos de peso intermediário, entre os tubos de perfuração
e os comandos. Sua principal função, além de transmitir o torque e permitir
a passagem do fluido, é fazer uma transição mais gradual de rigidez entre
os comandos e os tubos de perfuração. Eles são bastante utilizados em
poços direcionais, como elemento auxiliar no fornecimento de peso sobre a
broca, em substituição a alguns comandos.
A utilização de HW’ tem as seguintes vantagens:
14 Coluna de Perfuração
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5 Diminui a quebra de tubos nas zonas de
transição de comando para tubos de
perfuração
5 Aumenta a eficiência e a capacidade de
sondas de pequeno porte, pela sua
maior facilidade de manuseio do que os
comandos.
5 Nos poços direcionais diminui o torque e
o arraste (drag) em vista de sua menor
área de contato com as paredes do
poço.
5 Menor tempo de manobra
Normalmente se utiliza de 5 a 7 seções de HW na
zona de transição
A especificação dos HW é:
5 Diâmetro Nominal
5 Comprimento Nominal
5 Aplicação de Material Duro
O diâmetro nominal do HW variam de 3 1/2" a 5”,
normalmente é utilizado na coluna, HW com o
diâmetro igual aos do tubo de perfuração. Os HW
são fabricados no range II e III, e podem ter
aplicação de carbureto de tungstênio nos Tool
Joints ou no reforço intermediário.
Não há normalização para o desgaste do HW, então a resistência dos
tubos usados deve ser avaliada pelo usuário.
Coluna de Perfuração 15
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6 - Acessórios
Substitutos (Sub’s)
Os subs são pequenos tubos que
desempenham várias funções, todos devem
ser fabricados segundo as recomendações
do API e ter propriedades compatíveis com
os outros elementos da coluna.
Os principais sub’s em função da sua
utilização são:
5 Sub de içamento ou de elevação
5 Sub de cruzamento
5 Sub de broca
5 Sub do kelly ou de salvação
O sub de içamento (Lift Sub) serve para promover um batente para o
elevador poder içar comandos que não possuem pescoço para este fim.
O sub de cruzamento (Cross Over), são pequenos tubos que permitem a
conexão de tubos com diferentes tipos de roscas. O sub de cruzamento
podem ser:
5 Caixa-Pino
 Com tipos de roscas diferentes em cada extremidade
5 Caixa-Caixa
 Com ou sem roscas diferentes em cada extremidade
5 Pino-Pino
 Com ou sem roscas diferentes em cada extremidade
O sub de broca é apenas um sub de cruzamento caixa-caixa, que serve
para conectar a broca, cuja união é pino, à coluna, cujos elementos são
conectados com o pino para baixo.
O sub de salvação, como já foi dito, é um pequeno tubo conectado ao kelly,
que tem a finalidade de proteger a rosca do kelly dos constantes
enroscamentos e desenroscamentos, inerentes ao processo de perfuração
convencional.
16 Coluna de Perfuração
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Estabilizadores
Os estabilizadores são ferramentas que servem para centralizar a coluna
de perfuração, dando maior rigidez e afastando os comandos das paredes
do poço. Os estabilizadores também ajudam a manter o calibre do poço e
seu posicionamento na coluna é muito importante para a perfuração
direcional, pois suas posições controlam a variação da inclinação.
Os estabilizadores se dividem em:
5 Não Rotativos
5 Rotativos com Lâminas
¾ Intercambiável
¾ Integrais
¾ Soldadas
Os não rotativos são fabricados de
borracha e danificam-se
rapidamente quando perfurando
em formações abrasivas
Os estabilizadores de camisas
intercambiáveis podem ter a
camisa substituída quando esta
muito desgastada.
Quando as lâminas dos estabilizadores integrais estiverem desgastadas e
sua recuperação for antieconômica, o corpo do estabilizador pode ser
transformado em um sub.
Os estabilizadores de lâmina soldada são mais indicados para serem
utilizados em formações moles.
Escareadores
Os escareadores, também conhecidos como Roler-Reamer
ou apenas Reamer, é uma ferramenta estabilizadora
utilizada em formações abrasivas, onde graças a presença
de roletes consegue mais facilmente manter o calibre do
poço. Basicamente existem três usos:
Reamer de fundo com três roletes: É utilizado entre os comandos e a
broca, para diminuir a necessidade de repassamento.
Coluna de Perfuração 17
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Reamer de coluna com três roletes: É utilizado entre os comandos
com finalidade de manter o calibre do poço e ajudar na eliminação
de dog-legse chavetas.
Reamer de fundo com seis roletes: É utilizado entre
os comandos e a broca e graças ao seu maior
número de apoios evita alterações abruptas na
direção e inclinação.
Alargadores
São ferramentas que servem para aumentar o
diâmetro de um trecho já perfurado do poço.
Existem basicamente dois tipos de
ferramentas:
5 Hole Opener
5 Underreamer
O Hole Opener é utilizado quando deseja-se
alargar o poço desde a superfície, tem braços
fixos e é muito utilizado quando se perfura
para a descida do condutor de 30”, neste caso
se perfura com uma broca de 26” e um Hole
Opener de 36” posicionado acima da broca.
Underreamer é usado quando deseja-se
alargar um trecho do poço começando por um
ponto abaixo da superfície. São utilizados com
a finalidade de prover espaço livre para a
descida de revestimento e para alargamento
da formação, para se efetuar gravel packer. Seus braços
móveis são normalmente aberto através da pressão de
bombeio.
18 Coluna de Perfuração
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Amortecedor de Choque
São ferramentas que absorvem as vibrações da
coluna de perfuração induzidas pela broca, São
usadas quando perfurando rochas duras ou zonas
com várias mudanças de dureza. Seu uso é bastante
importante quando se utiliza brocas de insertos e
PDC, pois o amortecedor de choque aumenta a vida
útil das brocas destes tipos.
O amortecedor de choque também é chamado de
Shock-Eze, e pode ser de mola helicoidal ou
hidráulico.
O amortecedor de choque deve ser colocado o mais
perto possível da broca, para ter melhor eficácia, mas
por não ser tão rígido quanto um comando a
colocação dele perto da broca pode induzir inclinações
no poço. Assim se recomenda:
Para poços sem tendência de desvio o amortecedor
de choque deverá ser colocado acima do sub de
broca.
Para poços com pequenas tendência a desvios, deve-
se posicionar o amortecedor de choque acima do
primeiro ou segundo estabilizador.
Para poços com grandes tendências a desvio, deve-se
colocar o amortecedor de choque acima de todo
conjunto estabilizado
Coluna de Perfuração 19
SEREC/CEN-NOR
7 - Ferramentas de Manuseio
Chaves Flutuantes
As chaves flutuantes são mantidas suspensas na
plataforma através de um sistema de cabo de aço,
polia e contrapeso. São duas chaves que permitem
dar o torque de aperto ou desaperto nas uniões dos
elementos tubulares da coluna, são providas de
mordentes intercambiáveis, responsáveis pela
fixação das chaves à coluna.
Algumas sondas são equipadas com chaves
pneumáticas ou hidráulicas que servem para
enroscar e desenroscar tubos de perfuração, mas
sem dar o torque de aperto, o qual é dado com a
chave flutuante. Existe também o Eazy-Torq o qual
permite o desenvolvimento de altos valores de torque, os quais podem ser
utilizados até para apertar ou desapertar as conexões dos comandos. Hoje
em dia em algumas plataformas existe o Iron Roughneck, que é capaz de
executar automaticamente os serviços dos plataformistas durante as
conexões e desconexões.
Cunha
As cunhas são os
equipamentos que servem
para apoiar totalmente a
coluna de perfuração na
plataforma. São providas de
mordentes intercambiáveis e
se encaixam entre a
tubulação e a bucha da
mesa rotativa. Existem tipos
diferentes para tubos de
perfuração e comandos.
20 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Colar de Segurança
Equipamento de segurança colocado nos
comandos que não possuem rebaixamento
para a cunha. Sua a finalidade é prover um
batente para a cunha, no caso de
escorregamento do comando.
Alguns outros acessórios que se pode citar são:
5 Chave de Broca
 Para permitir enroscar e desenroscar a broca da coluna
5 Limpador de Tubo
 Para limpar a coluna do fluido de perfuração
5 Chave de Corrente
 Para enroscar e desenroscar os elementos da coluna
5 Puxador de Chave
 Para manusear mais rapidamente a chave flutuante
8 - Uniões dos Elementos Tubulares
Os tipos de uniões utilizados são:
5 Integrais
 Utilizados nos Comandos
5 Tool Joints
 Utilizados nos Tubos de Perfuração e HW
As uniões são cônicas para facilitar o enroscamento e desenroscamento
dos elementos tubulares, e uma característica importante destas uniões é
que a vedação é metal-metal realizada nos ombros (espelhos) dos
elementos tubulares. As uniões são especificadas na API Spec 7
Coluna de Perfuração 21
SEREC/CEN-NOR
Exercícios
1) Quais as principais funções da coluna de perfuração
a)
b)
c)
d)
e)
2) Quais os principais componentes da coluna de perfuração
a)
b)
c)
d)
e)
f)
3) O que deve constar na especificação dos tubos de perfuração (Drill Pipe)
?
4) Por que os tubos de perfuração são fabricados com reforço na
extremidade ?
5) O que quer dizer que um tubo de perfuração é classe premium ?
6) Qual é a parte frágil nos tubos de perfuração
22 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
7) Quais as principais funções dos comandos (Drill Collar)
a)
b)
c)
8) O que deve constar na especificação dos comandos (Drill Collar)
9) Onde é a parte frágil dos comandos (Drill Collar) e por que ?
10) Por que se utiliza tubos pesados (HWDP) na coluna de perfuração ?
11) Quais os principais tipos de substitutos (Subs) ?
a)
b)
c)
d)
12) Para que servem os estabilizadores na coluna de perfuração ?
13) Para que são utilizados os alargadores ?
Coluna de Perfuração 23
SEREC/CEN-NOR
14) Qual é a função do colar de segurança ?
15) Quais os tipos de conexão utilizadas na coluna de perfuração ?
16) Quais são as ferramentas de manuseio da coluna que você conhece ?
17) Qual é a função do amortecedor de choque ?
18) Qual a função dos escareadores (roller reamer) na coluna de
perfuração ?
24 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Dimensionamento
9 - Revisão de Elasticidade
Tensões
Seja uma força ∆ &F aplicada numa área ∆ &A , Define-se Tensão como:
σ =



→∆
∆
∆&
&
&
A
F
A0
lim
A força pode ser decomposta em duas
componentes. Uma componente
perpendicular a área e outra paralela.
Quando a força é perpendicular a área a
tensão é dita tensão normal, quando é
paralela é conhecida como tensão
cisalhante.
Para tensões num plano temos duas tensões normais σx e σy e apenas uma
tensão de cisalhamento já que τxy = τyx .
Fazendo-se a somatória das forças na direção vertical e horizontal da figura
ao lado temos:
Tensão Normal σ σ θ σ θ τ θ θ= + +x y xysin sincos cos2 2 2 (1)
Tensão Cisalhante ( ) ( ) ( )τ σ σ θ τ θ= − +12 2 2y x xysin cos (2)
As direções particulares de θ que anula a tensão cisalhante são
denominadas direções principais.
As direções são determinadas resolvendo a equação (2) para τ = 0 .
( )tan 2 2θ τ
σ σ
=
−
xy
x y
(3)
Da equação (3) nota-se que existem duas direções principais defasadas
entre si de 900, cada qual correspondente a uma tensão normal conhecidas
σx
σy
σ
τxy
τ
y
x
τyx
θ
Coluna de Perfuração 25
SEREC/CEN-NOR
como tensões principais, sendo uma um ponto de máximo e a outra um
ponto de mínimo.
( ) ( )σ σ σ τ σ σ1 2 212
1
4
= + + + −x y xy x y (4)
( ) ( )σ σ σ τ σ σ2 2 212
1
4
= + − + −x y xy x y (5)
Se orientarmos o nosso sistema de referência xy para se alinhar com as
tensões principais, as equações (1) e (2) se tornam:
Tensão Normal ( ) ( ) ( )σ σ σ σ σ θ= + + −1
2
1
2
21 2 1 2 cos (6)
Tensão Cisalhante ( ) ( )τ σ σ θ= − −1
2
21 2 sin (7)
As equações acima são a
equação de um círculo,
denominado círculo de Mohr, o
que permite uma maneira
prática de se visualizar as
tensões.
Da figura acima percebe-se que a tensão de cisalhamento máxima ocorre
para:
2 90 45θ θ= → =$ $
Como também as tensões de cisalhamento defasadas de 900 são em
módulo iguais.
No espaço tem-se três tensões normais e três tensões cisalhantes:
Normais: σ σx xx=
σ σy yy=
σ σz zz=
Cisalhantes: τ τ σσxy yx xy yx= = =
τ τ σ σxz zx xz zx= = =
τ τ σ σyz zy yz zy= = =
σ2 σ1 σ
σ2
σ2
σ1 σ12θ
τ
σ
τ
θ
26 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
A convenção dos subscrito é:
O primeiro subscrito indica a face onde a
tensão está atuando
O segundo subscrito indica a direção da
tensão
Assim xx é uma tensão na face x (a área é
perpendicular ao eixo x) com direção x, já xy é
uma tensão na face x com direção y.
Deformações
As hipóteses básicas do estudo das deformações são:
A deformação é continua numa vizinhança de qualquer ponto A.
A deformação linear é definida como: L L
L
− 0
0
A deformação angular é definida por: θ θ/ −
O estado de deformação em um ponto é definido por
todas as mudanças possíveis de
comprimentos de qualquer fibra que passe
pelo ponto, como também por todas as
mudanças possíveis de ângulos formados
por duas fibras quaisquer que passem pelo
ponto.
No plano temos duas deformações lineares
(εx e εy) e uma deformação angular (γxy) e
igualmente ao estudo das tensões, pode-se
procurar as direções onde não exista
deformação angular.
Estas direções são conhecidas como
direções principais de deformação e são
defasadas de 900 entre si. As deformações
nestas direções são ponto de máximo e de mínimo das deformações. No
caso de material isotrópico e elástico estas direções conhecidem com as
direções principais das tensões.
No espaço existem três deformações lineares e três deformações
angulares
Inicial
A
B A’
B’
L
L0 Deformada
O
A
B
θ
O’
A’
B’
θ’
Deformada
Inicial
y
x
90º -γxy
εx
εy
Coluna de Perfuração 27
SEREC/CEN-NOR
Deformações lineares:
ε εx xx=
ε εy yy=
ε εz zz=
Deformações angulares
γ γ ε εxy yx xy yx= = =2 2
γ γ ε εxz zx xz zx= = =2 2
γ γ ε εzy yz zy yz= = =2 2
Leis Constitutivas
Seja uma barra de área
transversal A submetida a um
carregamento F conforme
esquema, conhecido como
ensaio uniaxial:
Acompanhando o deslocamento linear
pode-se fazer o gráfico de tensão
σ 11 =
F
A
 contra a deformação conforme
gráfico ao lado.
O trecho 1-2 é linear, este trecho
marca o comportamento elástico
linear do material.
O trecho 2-3 pode ocorrer o
aparecimento de deformações
permanentes, isto é mesmo após
retirado o carregamento existirá deformações. Quando não existem
deformações permanentes o comportamento é dito elástico não linear,
quando existe o comportamento é dito plástico.
O trecho 3-4 é onde ocorre o escoamento do material, aqui existe
deformações permanentes e o comportamento é plástico.
No ponto 5 ocorre a ruptura do material.
F
A
F
1
2
3 4
5
σ
ε
28 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Comportamento elástico: Não existem deformações após a retirada do
carregamento. O Gráfico volta para a origem.
Comportamento plástico: Após a retirada do carregamento existem
deformações residuais.
No trecho linear define-se o módulo de Young (E) como sendo a tangente
da reta:
E xx
xx
=
σ
ε
Ou seu equivalente a Lei de Hooke, εσ ×= E
F
A
F
Durante o ensaio uniaxial se o ensaio for de tração nota-se um
alongamento da barra e uma diminuição do raio. No caso de compressão
ocorre o contrário, um encurtamento da barra e um aumento do raio. O
módulo de Poisson (υ) representa esta relação:
υ
ε
ε
ε
ε
= − = −
yy
xx
zz
xx
Num ensaio de cisalhamento conforme
esquema ao lado define-se módulo de
cisalhamento (G) como:
G
xy
xy
xy
= =
τ
γ
σ
ε2
A lei de Hooke pode ser generalizada para todas as tensões:
σ εij ijkl klE=
Eijkl tensor de 4a ordem ou 81 termos, onde tanto tensão como deformação
são em número de 6 incógnitas expressas em tensores de 2a ordem
simétricos, Eijkl terá 21 termos em uma matriz simétrica 6 por 6
Ou na forma de matriz como:
σ
σ
σ
σ
σ
σ
ε
ε
ε
ε
ε
ε
xx
yy
zz
xy
yz
zx
xxxx xxyy xxzz xxxy xxyz xxzx
yyyy yyzz yyxy yyyz yyzx
zzzz zzxy zzyz zzzx
xyxy xyyz xyzx
yzyz yzzx
zxzx
xx
yy
zz
xy
yz
zx
E E E E E E
E E E E E
E E E E
E E E
E E
E






=












τ
τ
τ
τ
90º - γ
Coluna de Perfuração 29
SEREC/CEN-NOR
Onde a matriz E é simétrica.
Logo de maneira geral, um material precisa de 21 parâmetros mecânicos
para ser definido.
Alguns casos especiais são:
A) Material com simetria em relação a um plano (Monoclínico)
13 constantes
C C C C
C C C
C C
C C
C
C
11 12 13 15
22 23 25
33 35
44 46
55
66
0 0
0 0
0 0
0
0






B) Material com simetria em relação a dois planos (Ortotrópico)
9 constantes
C C C
C C
C
C
C
C
11 12 13
22 23
33
44
55
66
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0
0






C) Material com simetria total (isotrópico)
2 constantes
2 0 0 0
2 0 0 0
2 0 0 0
2 0 0
2 0
2
µ λ λ λ
µ λ λ
µ λ
µ
µ
µ
+
+
+






λ e µ são conhecidas como constantes de Lamé. Existem os seguintes
relacionamento entre as constantes de Lamé do material isotrópico e as
constantes da lei de Hooke.
30 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
( )υµ +×= 12
E
( )( )λ
υ
υ υ
=
+ −
E
1 1 2
Logo:
( )
λµ
λµµ
+
+×
=
32E
( )λµ
λ
υ
+×
=
2
υ=G
( )υ+×= 12
EG
Então para material isotrópicos a lei de Hooke generalizada em função das
direções principais são:
( )[ ]ε σ υ σ σx x y zE= − +1
( )[ ]ε σ υ σ σy y x zE= − +
1
( )[ ]ε σ υ σ σz z x yE= − +1
Para os aços normalmente utilizados nos elementos tubulares se tem:
Eaço 30 x 106 psi ou 2100Kgf/cm2
νaço 0,3
Gaço 12 x 106 psi
Tabela de propriedades de alguns materiais
Material Densidadelb/pol3
E
106 psi
G
106 psi υ
Aço
1%C 0,283 30 12 0,27
Aço
AISI 4640 0,28 29 11 0,30
Alumínio
1024-T4 0,100 10,6 4,0 0,33
Alumínio
7075-T 0,101 10,4 3,9 0,33
Titânio 0,161 15,8 6,0 0,34
Cobre 0,322 17 6,4 0,33
Coluna de Perfuração 31
SEREC/CEN-NOR
O API define como
limite para os aços
utilizado nos elementos
tubulares, a tensão de
escoamento a qual
correspondente a uma
deformação de 0,5%
A tabela a seguir da o
tensão de escoamento
para diversos tipos de
aço padronizados pela
API.
Tipo de Aço Tensão de Escoamento
D 55.000 psi
E 75.000 psi
X 95.000 psi
G 105.000 psi
S 135.000 pis
Tensões em Cilindros
Os cilindros podem ser classificados de duas maneiras, a depender da
relação entre seu diâmetro externo (d) e sua espessura (t).
Para d
t
< 10 o cilindro é dito de parede espessa
Para d
t
> 10 o cilindro é dito de parede fina
Cilindros de Paredes Espessa
Num cilindro de parede
espessa, para efeito de
análise, toma-se um elemento
infinitesimal a distancia R,
conforme figura.
Lamé provou que nestas
condições, a solução para este
σ = FA
ε = ∆ll
<
�����
θ
E = tan θ
API: Limite de Escoamento para ε = 0,5%
32 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
problema deve obedecer as seguintes equações:
σ
r A
B
R
= + 2
σθ = −A
B
R 2
As condições de contorno para o carregamento são:
Para R = Ri então σr = -Pi
Para R = Re então σr = -Pe
Assim aplicando estas condições de contorno as equações de Lamé se
tem:
P A
B
Re e
= + 2
P A
B
Ri i
= + 2
Resolvendo o sistema se obtém:
A
P R P R
R R
i i e e
e i
=
× − ×
−
2 2
2 2
( )
B
P P R R
R R
e i e i
e i
=
− × ×
−
2 2
2 2
Cilindros de Paredes Finas
Par cilindros de paredes finas basta
fazer o equilíbrio de forças em uma
direção e se obtém a equação de
Barlow.
( )2 2× × × + × × = × − × ×σ t lP D l P D t le i
Logo:
( )
σ =
× − × − ×
×
P D t P D
t
i e2
2
Coluna de Perfuração 33
SEREC/CEN-NOR
Como a espessura é pequena em relação ao diâmetro se tem:
( )
σ =
− ×
×
P P D
t
i e
2
Torção
Se no anel do elemento tubular atua uma
tensão cisalhante τ, então para ocorrer o
equilíbrio de esforços é necessário que:
Q r dA
r
r
i
e
= ×∫τ 
Como dA r dr= × × ×2 pi e assumindo que
τ = ×K r vamos ter:
Q K r
r
r
i
e
= × × × × × ×∫ r 2 r dr pi
Se para r = re temos τ = τmax então:
K
r
max
e
=
τ
Logo:
Q
r
max
er
r
i
e
= × × × ×∫ 2 r dr 3pi τ
Então:
Q
r
r rmax
e
e i
=
× ×
×
−



2
4
4 4pi τ
Seja o momento polar de inércia dado por:
( )J D De i= × −pi32 2 2 onde D é o diâmetro do tubo
Logo:
Q J
r
max
e
= ×
τ
34 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Exercícios
1) No desenho ao lado qual é a tensão normal e a tensão cisalhante ?
2) No desenho ao lado calcule as direções e as tensões principais
20pol2
3000 lbf
30o
50 psi
50 psi
100 psi100 psi
200 psi
200 psi
Coluna de Perfuração 35
SEREC/CEN-NOR
3) Do estado de tensão ao lado desenhe o circulo de Mohr
4) Qual é a máxima tensão de cisalhamento do estado triplo de tensão
dado:
700 psi700 psi
500 psi
500 psi
300 psi
300 psi
200 psi
200 psi
36 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
5) Num teste de tração simples, numa barra quadrada de lado 3,000 pol e
comprimento 25,000 pol foi aplicada uma força de 50.000 lbf. Após a
deformação a barra tinha 25,050 pol e lado de 2,997 pol. Calcule o módulo
de Young (E) e o módulo de Poisson (υ).
6) Sabendo que o módulo de Young e o módulo de Poisson do aço, são
respectivamente 30x106 psi e 0,27. Calcule as constantes de Lamé e o
módulo de cisalhamento do aço.
Coluna de Perfuração 37
SEREC/CEN-NOR
7) Uma chapa de aço de espessura 0,5 pol e lados 20 x 100 pol está
submetida ao carregamento mostrado na figura ao lado. Calcule a
espessura da chapa.
500 psi
500 psi
1000 psi
1000 psi
38 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
8) Num tubo de 4 1/2” OD 3,826” que está sendo submentido a uma
pressão interna de 2.000 psi e externa de 3.000 psi, como varia suas
tensões com o raio ?
Coluna de Perfuração 39
SEREC/CEN-NOR
9) As equações de Lamé para tubos de paredes espessa são dadas por:
( )
( ) 222
22
22
22
RRR
RRPP
RR
RPRP
ie
ieie
ie
eeii
r
×−
××−
+
−
×−×
=σ
( )
( ) 222
22
22
22
RRR
RRPP
RR
RPRP
ie
ieie
ie
eeii
×−
××−
−
−
×−×
=θσ
Já para tubos de paredes finas usa-se a equação de Barlow:
( )
t
DP
t
tDP ii
×
×
≅
×
×−×
==
22
2
σσθ
Demostre que as equações de Lamé tendem para a equação de Barlow
quando: Pe = 0 e Re – Ri = t for pequeno.
40 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
10 - Introdução
Para se dimensionar uma coluna de perfuração é necessário saber:
5 Profundidade máxima prevista para a coluna
5 Diâmetro da fase
5 Pesos da lama utilizados
5 Fatores de segurança
5 Peso sobre broca máximo
A coluna de perfuração está sujeita a esforços de tração, compressão e
torção durante as operações rotineiras da perfuração. Poderá,
eventualmente, estar sujeita a esforços radias, resultantes da diferença
entre as pressões interna e externa do tubo.
Com estes dados se pode determinar os esforços e então dimensionar a
coluna de perfuração, isto é: tipos e quantidade de comandos, tipo e
quantidade de HW alem dos tipos dos tubos de perfuração.
11 - Tração
A tensão causada pela tração é, como já visto, a relação entre o esforço e
área de aplicação:
σ t
T
A
=
Quando a tensão atingir a máxima tensão permissível, que é a tensão de
escoamento do material, se terá a resistência a tração do tubo.
Logo:
Y
R
Am
t
=
Onde:
Ym Limite de Escoamento
Rt Tração Máxima
A Área da seção
Como:
( )A D De i= × −pi4 2 2
Coluna de Perfuração 41
SEREC/CEN-NOR
Se tem:
( ) ( )R Y D D D D Yt m e i e i m= × × − ≅ × − ×pi4 0 78542 2 2 2,
Para cálculo do tubo desgastado considera-se o desgaste apenas no
diâmetro externo.
O elemento da coluna mais solicitado quanto a tração é o tubo de
perfuração mais próximo da superfície, Este elemento deve suportar o peso
de toda coluna, imersa em fluido, na maior profundidade esperada.
Assim a tração máxima da coluna de perfuração é:
T P E= −
Onde:
P Peso da Coluna no Ar
E Empuxo
Mas:
P Vaco aco= ×ρ
E Vf desl= ×ρ
Onde:
ρaco Peso Específico do Aço
ρf Peso Específico do Fluido de Perfuração
Vaco Volume de Aço
Vdesl Volume de Fluido Deslocado
Considerando que todo volume deslocado de fluido de perfuração foi pelo
aço se tem:
T V V V Paco aco f aco aco aco
f
aco
= × − × = × × −



 = ×ρ ρ ρ
ρ
ρ α1
Onde:
α
ρ
ρ= −



1
f
aco
 é chamado de fator de flutuação.
42 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Sabendo que o peso especifico do aço é de 65,44 lbf/gal então se tem:
Peso Específico do
Fluido em Lb/Gal
α Peso Específico do
Fluido em Lb/Gal
α
8,6 0,869 10,4 0,841
8,8 0,866 10,8 0,835
9,0 0,862 11,0 0,832
9,4 0,856 11,4 0,826
9,8 0,850 11,8 0,820
10,0 0,847 12,0 0,817
É comum se multiplicar o limite de escoamento por 0,9 para trabalhar na
região linear.
O fator de segurança normalmente utilizado é de 1,25.
R
Y A
t =
× × 0 9
1 25
,
,
As vezes se utiliza o conceito de Margem de sobretração (Over Pull), que é
uma margem de segurança que em vez de ser multiplicada no esforço
calculado é somado.
R Y A MOPt = × × −0 9,
12 - Pressão Interna
Quando a pressão interna é maior que a pressão externa, a resistência
interna é calculada usando-se a formula de Barlow para tubos de paredes
finas.
( )
σ =
− ×
×
P P D
t
i e
2
A resistência máxima ocorre quando a tensão atuante atinge a tensão de
escoamento. Logo a máxima diferença de pressão (Pi - Pe) será a máxima
resistência a pressão interna possível Rpi:
Y
R D
t
R
t Y
D
pi
pi=
×
×
⇒ =
× ×
2
2 (Geral)
O API permite que a espessuras dos tubos de perfuração novos variem em
até 12,5%. Logo utilizando o caso mais crítico se tem:
( )
R
t Y
D
t Y
Dpi
=
× × ×
=
× ×2 0 875 1 75, , (Novos)
Coluna de Perfuração 43
SEREC/CEN-NOR
Para cálculo do tubo desgastado considera-se o desgaste apenas na
espessura, o diâmetro externo permanece o nominal.
O fator de segurança utilizado é de 1,1
Exemplo:
Qual é a resistência a pressão interna de um tubo de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E novo ?
Grau E Y = 75000. psi
16,6 lb/pé t t= − ⇒ =4 5 3 826
2
0 337
, ,
, pol
OD 4 1/2" D = 4 5, pol
Rpi =
× ×
=
1 75 0 337 75000
4 5 9830
, ,
,
 psi
R Rpi pi= ⇒ =
9830
11
8935
,
 psi
e Premium ?
Para Premium a espessura pode ter uma redução de até 20%, Logo:
Espessura t t= × ⇒ =0 80 0337 0 2696, , pol
Rpi =
× ×
=
2 0 2696 75000
4 5 8987
,
,
 psi
R Rpi pi= ⇒ =
8987
11
8170
,
 psi
13 - Colapso
A pressão de colapso é resultante do diferencial de pressão externa e
interna ao tubo quando a pressão externa é maior que a interna.
A ruptura mais comum nos elementos da coluna de perfuração é a pseudo
plástica. Neste caso a solução é conseguida assumindo que o elemento
tubular tem parede espessa.
44 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
σ
r A
B
R
= + 2
σθ = −A
B
R 2
Com:
A
P R P R
R R
i i e e
e i
=
× − ×
−
2 2
2 2
( )
B
P P R R
R R
e i e i
e i
=
− × ×
−
2 2
2 2
Para o cálculo do colapso se assume a pressão interna como zero, assim
analisando as expressões acima nota-se que ovalor de A é sempre
negativo e B é sempre positivo. Logo a tensão mais crítica é
( )max rσ σ σθ θ, = .
Como o máximo valor de σθ ocorre na parede interna do tubo, isto é:
( )max R Riσθ ⇒ =
Logo neste caso se tem:
σ σθ θ=
− ×
−
−
× ×
−
÷ ⇒ =
− × ×
−
P R
R R
P R R
R R
R
P R
R R
e e
e i
e e i
e i
i
e e
e i
2
2 2
2 2
2 2
2
2
2 2
2
Onde o sinal negativo indica compressão.
Assim quando neste ponto se atingir o limite de escoamento se terá a
máxima pressão externa que o elemento tubular poderá suportar.
Se σθ ,R R i e ci Y P P R= = ∧ = ⇒ =0
Logo analisando o módulo se tem:
( ) ( )
Y
R R
R R
Y R R R R
R
Rc e
e i
e i e i
e
c=
× ×
−
⇒ ×
− × +
=
2
2
2
2 2 2
Como:
R R t R R t De i e i− = ∧ + + = 
Então:
( )
R
Y t D t
Dc
= ×
× −
2
4
2
Coluna de Perfuração 45
SEREC/CEN-NOR
Logo:
( )
( )R Y
D
t
D
t
c = × ×
−
2
1
2
A formula acima é a mais utilizada. Existem outros limites por perda de
estabilidade mais comum em revestimento, mas também ocorrendo na
coluna, assim para uma análise de qualquer elemento tubular se tem:
Para Relações as seguintes relações de D t
Grau do Aço Relação de D t
E 13,60 ou Menos
X 12,85 ou Menos
G 12,57 ou Menos
S 11,92 ou Menos
Se utiliza a fórmula acima deduzida. (Falha no Pseudo Plástico)
( )
( )R Y
D
t
D
t
c = × ×
−
2
1
2
Já para a seguinte faixa
Grau do Aço Relação de D t
E Entre 13,60 e 22,91
X Entre 12,85 e 21,33
G Entre 12,57 e 20,70
S Entre 11,92 e 19,18
Utiliza-se a fórmula abaixo. (Falha Plástica)
R Y
A
D
t
B Cc = ×
′





 − ′





 − ′
Com os seguintes valores das constantes:
Grau do Aço A’ B’ C’
E 3,054 0,0642 1.806
X 3,124 0,0743 2.404
G 3,162 0,0794 2.702
S 3,278 0,0946 3.601
46 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Já na próxima faixa
Grau do Aço Relação de tD
E Entre 22,91 e 32,05
X Entre 21,33 e 28,36
G Entre 20,70 e 26,89
S Entre 19,18 e 23.44
Utiliza-se a fórmula abaixo. (Falha na Transição)
R Y
A
D
t
Bc = ×





 −






Com os seguintes valores das constantes:
Grau do Aço A B
E 1,990 0,0418
X 2,029 0,0492
G 2,053 0,0515
S 2,133 0,0615
A última faixa é:
Grau do Aço Relação de D t
E Maior que 32,05
X Maior que 28,36
G Maior que 26,89
S Maior que 23,44
Utiliza-se a fórmula abaixo, com a resistência ao colapso sendo dada em
psi. (Falha no Regime Elástico)
( ) ( )( )R Dt Dtc =
×
× −
46 95 10
1
6
2
,
Para cálculo do tubo desgastado considera-se o desgaste na espessura
acontecendo no diâmetro externo.
O fator de segurança utilizado é de 1,125
Coluna de Perfuração 47
SEREC/CEN-NOR
Exemplo:
Qual é a resistência ao colapso de um tubo de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo ?
Grau E Y = 75000. psi
16,6 lb/pé t t= − ⇒ =4 5 3 826
2
0 337
, ,
, pol
OD 4 1/2" D = 4 5, pol
D
t
= = <
4 5
0 337 13 353 13 67
,
,
, .
Falha no regime pseudo plástico.
Logo:
( )
( )Rc = × ×
−
=2 75000
4 5
0 337 1
4 5
0 337
103922.
,
,
,
,
 psi
Com o fator de segurança
Rc = =
10392
1125 9237, psi
Para Classe Premium ?
Desgaste de 80% Espessura 0 337 0 8 0 2696, , ,× = pol
Diâmetro Externo ( )4 5 2 0 337 0 2696 4 3652, , , ,− × − = pol
( )D t = = < <4 36520 2696 16 19 13 60 16 19 22 91,, , , , , , 
Logo falha no regime pseudo plástico.
Então:
Rc = ×



 −



 − =75000
3 054
16 1914 0 0642 1806 7525
,
,
, psi
Com o fator de segurança
Rc = =
7525
1125 6689, psi
48 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
14 - Torção
Como o torque se relaciona com a tensão de cisalhamento por:
Q J
r
max
e
= ×
τ
Basta conhecer a tensão de cisalhamento
máxima. Num teste de tração simples para
se medir a tensão de escoamento se tem
que a tensão de cisalhamento máxima é de:
τmax Y= ×0 5, , como pode ser observado na
figura ao lado.
Já o API recomenda utilizar 0,577 em vez
de 0,5, isto indica que o API esta considerando uma tensão de compressão
aplicada na lateral.
Assim se tem duas possibilidades para a tensão de cisalhamento máxima:
τmax Y= ×0 5,
τmax Y= ×0 577, Recomendada pela API
Lembrando que o momento polar de inércia pode ser calculado por:
( )J D De i= × −pi32 4 4
Para cálculo do tubo desgastado considera-se o desgaste na espessura
acontecendo no diâmetro externo.
Exemplo:
Qual é a resistência a Torção de um tubo de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo ?
Diâmetro Externo 4,5” Raio Externo 4,5/2 = 2,25”
Diâmetro Interno 3,826”
Momento Polar de Inércia
( )J = × − =pi
32
4 5 3 826 19 2214 4, , , pol4
Tensão de Cisalhamento Máxima τmax = × =0 577 75000 43275, psi
Coluna de Perfuração 49
SEREC/CEN-NOR
Torção Máxima
Q = × = = ′19 221 43275
2 25 369684 30807
,
,
 lbf pol lbf pe
Grau Premium ?
Diâmetro Externo ( )4 5 2 0 337 0 2696 4 3652, , , ,− × − = pol
Raio Externo 4,3652/2 = 2,1826”
Diâmetro Interno 3,826”
Momento Polar de Inércia
( )J = × − =pi32 4 3652 3 826 14 60974 4, , , pol4
Torção Máxima
Q = × = = ′14 6097 43275
2 1826 289670 24139
,
,
 lbf pol lbf pe
15 - Influência da Tensão Axial
Resumo
(Efeito da ¾ na À) Tração Compressão
Pressão Interna Aumenta Diminui
Colapso Diminui Aumenta
Torção Diminui Diminui
Como os tubos de perfuração trabalham a tração, apenas o colapso e a
torção são estudados. O efeito do aumento na resistência a pressão interna
é desprezado.
Efeito da Tração no Colapso
O critério de Von-Mises é o critério de falha utilizado neste caso.
Von-Mises ( ) ( ) ( )σ σ σ σ σ σ1 2 2 1 3 2 2 3 2 22− + − + − = × Y
50 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
O ponto mais crítico é na parede interna do
tubo.
Assim com R = Ri
 
 se tem:
Pi r= ⇒ = =0 03σ σ
σ σ σ σθ = ∧ =2 1a
( )σ σ σ σθ θa a Y− + + = ×2 2 2 22
σ σ σ σθ θa a Y
2 2 2
− × + =
σ σ σ σθ θa a
Y Y Y Y
2
2
2
2 1−
×
×
+ =
Como:
σ a
T
Area
=
Seja:
X
T
Area
Y
=
Então:
X X
Y Y
2
2
2 1− × + =
σ σθ θ
Mas como já visto na dedução da resistência ao colapso se tem:
Y
R R
R R
c e
e i
=
× ×
−
2 2
2 2
e como:
− =
× ×
−
σθ
2 2
2 2
R R
R R
ca e
e i
Se tem:
− = =
σθ
Y
R
R
zca
c
Então:
X X Z Z2 2 1+ × + =
Esta é a equação de uma elipse.
Coluna de Perfuração 51
SEREC/CEN-NOR
Assim para o cálculo da resistência reduzida ao colapso se procede da
seguinte maneira:
1) Dado a tensão de escoamento, a tração atuante e a geometria se calcula
a tensão axial e valor de X (Quanto da tensão de escoamento esta sendo
utilizada pela tensão axial).
2) Através da equação da elipse se calcula Z (Quanto da tensão ao colapso
esta disponível).
3) Com os dados de geometria e a tensão de escoamento se calcula a
resistência ao colapso.
4) Com a resistência ao colapso e Z calcula-se a resistência ao colapso
reduzida.
Exemplo:
Qual é a resistência ao colapso de um tubo de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo sujeita a tração de 200000 lbf. ?
Área:
( )A = × − =pi
4
4 5 3 826 4 40742 2 2, , , pol
Tensão Axial:
σ a = =
200000
4 4074 45378, psi
Logo:
X
Y
a
= = =
σ 45378
75000 0 6050,
Então:
0 605 0 605 1
0 5492
11542
2 2
, ,
,
,
+ × + = ⇒ =
−
Z Z Z
 Fora
Resistência ao Colapso, já calculada:
D
t
= = <
4 5
0 337 13 353 13 67
,
,
, .
Falha no regime pseudo plástico.
Logo:
( )
( )Rc = × ×
−
=2 75000
4 5
0 337 1
4 5
0 337
103922.
,
,
,
,
 psi
52 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Resistência reduzida
Rca = × =0 5492 103925707, psi
Com o fator de segurança:
Rca = =
5707
1125 5073, psi
Para Classe Premium ?
Desgaste de 80%
Espessura 0 337 0 8 0 2696, , ,× = pol
Diâmetro Externo ( )4 5 2 0 337 0 2696 4 3652, , , ,− × − = pol
Área:
( )A = × − =pi
4
4 3652 3 826 3 46892 2 2, , , pol
Tensão Axial:
σa = =
200000
3 4689 57656, psi
Logo:
X
Y
a
= = =
σ 57656
75000 0 7687,
Então:
0 7687 0 7687 1
0 3618
11310
2 2
, ,
,
,
+ × + = ⇒ =
−
Z Z Z
 Fora
Resistência ao Colapso, já calculada:
( )D t = = < <4 36520 2696 16 19 13 60 16 19 22 91,, , , , , , 
Logo falha no regime pseudo plástico.
Então:
Rc = ×



 −



 − =75000
3 054
16 1914 0 0642 1806 7525
,
,
, psi
Resistência reduzida
Rca = × =0 3618 7525 2722, psi
Coluna de Perfuração 53
SEREC/CEN-NOR
Com o fator de segurança:
Rca = =
2722
1125 2420, psi
Efeito da Tração na Torção
Considerando um elemento da parede
externa do tubo e notando que a tensão
máxima de cisalhamento é o raio do
círculo, então:
τ τ
σ
max r max
a2 2
2
2= +
 ,
Logo:
τ τ
σ
r max max
a
,
= −
 2
2
2
Como:
Q J
R
r max
e
=
× τ
,
Exemplo:
Qual é a resistência a Torção de um tubo de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo. Quando tracionado com 100000 lbf ?
Diâmetro Externo 4,5” Raio Externo 4,5/2 = 2,25”
Diâmetro Interno 3,826”
Área ( )pi
4
4 5 3 826 4 40742 2 2× − =, , , pol
Tensão de Cisalhamento Máxima τmax = × =0 577 75000 43275, psi
Tensão Axial σa
A
= =
100000
4 4074 22689, psi
Tensão de Cisalhamento Reduzida Máxima
( )τr = − =43275 22689 2 417622 2 psi
54 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Torção Máxima
Q = × = = ′19 221 41762
2 25 356759 29730
,
,
 lbf pol lbf pe
Grau Premium ?
Diâmetro Externo ( )4 5 2 0 337 0 2696 4 3652, , , ,− × − = pol
Raio Externo 4,3652/2 = 2,1826” Diâmetro Interno 3,826”
Área ( )pi
4
4 3652 3 826 3 46892 2 2× − =, , , pol
Tensão Axial σa
A
= =
100000
3 4689 28828, psi
Tensão de Cisalhamento Reduzida Máxima
( )τr = − =43275 288282 408042 2 psi
Torção Máxima
Q = × = = ′14 6097 40804
2 1826 273130 22761
,
,
 lbf pol lbf pe
16 - Máximo Número de Voltas na Coluna
Da figura ao lado se tem:
AB
L
tg
G
≅ ≅ =γ γ τ
Logo:
AB
L G
r
=
τ
mas:
θ θ= ⇒ = ×
AB
R
AB R
e
e
Logo:
θ τ
θ
τ×
= ⇒ =
×
×
R
L G
L
R G
e r r
e
Como o número de voltas é dado por:
Coluna de Perfuração 55
SEREC/CEN-NOR
N =
×
θ
pi2
Então:
N
L
R G
L
D G
r
e
r
=
×
× × ×
=
×
× ×
τ
pi
τ
pi2
Exemplo:
Qual é o número máximo de voltas para um coluna de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo. Quando tracionado com 100000 lbf e 5000 pés de
comprimento ?
Do exercício anterior se tem:
τr = 41762 psi
Logo:
N =
×
×
×
×
=
41762
12 10
5000 12
4 5 14 776 pi , , voltas
e para grau Premium ?
τr = 40804 psi
Logo:
N =
×
×
×
×
=
40804
12 10
5000 12
14 886 pi 4,3652 voltas,
17 - Elongação de Uma Coluna Livre
A elongação de uma coluna livre é a soma de três efeitos:
¾ Elongação devido ao peso próprio
¾ Elongação devido ao empuxo
¾ Elongação devido a pressão do fluido
Elongação devido ao peso
próprio
Pela Lei de Hook se tem:
σ t E dl= ×
Mas a tensão é dada por:
σ
γ
t
aco acoV
Area
=
×
mas:
56 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
V x Areaaco = ×
Logo:
σ
γ γt
aco
aco
x Area
Area
x=
× ×
= ×
Então:
σ γ γt aco
acoE dl x dl
x
E
= × = × ⇒ =
×
Portanto:
∆L
x
E
dx
E
x
pp
aco
L
aco
L
=
×


 = ×∫ γ γ0
2
0
2
Então:
∆L
L
Epp
aco
=
×
×
γ 2
2
Elongação devido ao empuxo
Considerando toda força do empuxo atuando na base da coluna se tem:
F Vol L Areafl fl= − × = − × ×γ γ
Como:
σ
γ
γt
fl
fl
F
Area
L Area
Area
L= =
− × ×
= − ×
Mas:
σ γ
γ
t fl
flE dl L E dl dl
L
E
= × ⇒ − × = × ⇒ =
− ×
Então:
∆ ∆L
L
E
dx L
L
E
xepx
flL
epx
fl L
=
− ×


 ⇒ =
− ×
×∫ γ γ0 0
Logo:
∆L
L
Eepx
fl
=
− ×γ 2
Coluna de Perfuração 57
SEREC/CEN-NOR
Elongação devido a pressão do fluido
Sabemos que:
( )( )ε σ υ σ σθθzz zz rrE= × − × +1
Considerando que não há tensão na direção z devido as pressões se tem:
( )( )ε υ σ σθθzz rrE= × − × +1
Então:
dl
E
rr
= − ×
+
υ
σ σθθ
Mas:
σ σθθ + = + + − = × = ×
× − ×
−
rr
i i e e
e i
A
B
R
A
B
R
A
P R P R
R R2 2
2 2
2 22 2
Considerando as pressões interna e externas iguais se tem:
σ σθθ + = − × = − ×rr i eP P2 2
Logo:
dl
P
E
i
= ×
×
υ
2
Como:
( )P L xi fl= × −γ
Se obtêm:
( )dl
E
L xfl= × × × −2 υ
γ
Então:
( )∆L
E
L x dx
E
L x
x
f
fl L fl
L
= × × × − = × × × × −



∫2 2 20
2
0
υ
γ
υ
γ
Logo:
∆L
L
Ef
fl
=
× ×υ γ 2
Para a elongação total basta somar as três componentes:
∆ ∆ ∆ ∆L L L Lpp epx f= + +
58 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Então:
( )∆L LE LE LE L Eaco fl fl aco fl fl= ×× − × + × × = × × − × + × ×γ γ υ γ γ γ υ γ
2 2 2 2
2 2
2 2
Logo:
( )( )∆L L E aco fl= × × − × −
2
2
2 1γ γ υ
Para:
γfl lb/gal
L Pés
∆L Pol
Se tem:
( )∆L L fl= × × − ×
2
79 625 10 65 44 1 44, , , γ
Exemplo:
Qual a elongação de uma coluna de 10000 pés, para um fluido de 9 lb/gal e
para 14 lb/gal ?
Para fluido com 9 lb/gal
( )∆L =
×
× − × =
10000
9 625 10 65 44 1 44 9 54 5
2
7
,
, , , pol
Para fluido com 14 lb/gal
( )∆L =
×
× − × =
10000
9 625 10 65 44 1 44 14 47 0
2
7
,
, , , pol
18 - Determinação Aproximada do Ponto Livre
Seja uma coluna presa a uma profundidade L desconhecida.
Ao se aplicar uma tração na coluna se tem pela lei de Hook:
∆L
F
A E
L=
×
×
10 Passo Aplicar uma Tração T1 e medir ∆L1.
Como: ∆L F
A E
L1
1
=
×
×
Coluna de Perfuração 59
SEREC/CEN-NOR
20 Passo Aplicar uma Tração T2 e medir ∆L2.
Como: ∆L F
A E
L2
2
=
×
×
Assim se tem:
( )
( ) ( )∆ ∆ ∆ ∆L L
F F
A E
L L
A E
F F
L L2 1
2 1
2 1
2 1− =
−
×
× ⇒ =
×
−
× −
Lembrando que:
ω γ γ ωγ× = × = × × ⇒ =L V A L Aaco aco aco aco
Onde ω é o peso linear do elemento. Então a fórmula do comprimento pode
ser posta como:
( ) ( )L
E
F F
L Laco=
×
−
× −
ω
γ
2 1
2 1∆ ∆
Substituindo os valores de Eaço (30x106 psi) e γaço (489,6 lbf/pé3) se tem:
( )
( )L
L L
F F
=
× × −
−
735294 2 1
2 1
ω ∆ ∆
Onde:
ω Peso linear em lbf/pé
F Força em lbf
L Comprimento livre em pés
∆L Variação do comprimento em pol
Exemplo:
Qual é o comprimento livre de uma coluna de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo. Sabendo que a coluna alongou de 33 polegadas
quando a tração passou de 100000 lbf para 150000 lbf.
Peso linear da coluna é: 14,98 lb/pé
Área da Coluna é: 4,4074 pol2
Como:
( )
( )L
L L
F F
=
× × −
−
735294 2 1
2 1
ω ∆ ∆
60 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Logo:
L =
× ×
=
735294 14 98 33
50000 7269 7
,
, pes
Ou:
( ) ( )L
A E
F F
L L l=
×
−
× − ⇒ =
× ×
× =
2 1
2 1
64 4074 30 10
50000 33 87266 5∆ ∆
,
, pol
Logo:
L = =
87266 5
12
7272 2
,
, pes
O comprimento da coluna livre é de aproximadamente 2.200 metros.
19 - Velocidades Críticas
Para evitar desgastes excessivos e outros problemas na coluna, esta não
deverá trabalhar em rotações tais que as vibrações inerentes ao processos
de perfuração fique perto das freqüências de ressonância natural da coluna.
Existem dois modos de vibraçãoda coluna:
¾ Vibração Nodal
¾ Vibração Axial
A vibração nodal está ligada ao desgaste pelo atrito na parede do poço, e
as rotações relacionadas com este tipo de vibração são dadas pela
seguinte fórmula:
N
D D
L
ie i
Tubo
=
× +
×
33056 2 2
1
2
2
Com:
N Rotação em rpm
De Diâmetro Externo em pol
Di Diâmetro Interno em pol
L1Tubo Comprimento de um tubo em pés
i Números Inteiro para calcular os Harmônicos
A vibração axial está ligada ao impacto e maior desgaste na broca, e pode
ser calculada por:
N
L
ia = ×
258000 2
Coluna de Perfuração 61
SEREC/CEN-NOR
Com:
Na Rotação em rpm
L Comprimento da coluna e pés
i Números Inteiro para calcular os Harmônicos
Essas fórmulas não são mais usadas pela sua pouca efetividade.
Exemplo:
Qual são as rotações críticas de uma coluna de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé grau E Novo com 10000 pés de comprimento, sendo os tubos de
range II.
Diâmetro Interno: 3,826 pol
Range 2 30 pés em média
Para Vibração Nodal:
N
D D
L
i N i ie i
Tubo
=
× +
× ⇒ =
× +
× = ×
33056 33056 4 5 3 826
30
216 9
2 2
1
2
2
2 2
2
2 2, ,
, rpm
Logo as rotações são: Para Primeiro Harmônico de 217 rpm
Para Segundo Harmônico de 868 rpm
Para Terceiro Harmônico de 1952 rpm
Para Vibração Axial:
N
L
i N ia a= × ⇒ = = ×
258000 258000
10000
25 82 2, rpm
Logo as rotações são: Para Primeiro Harmônico de 26 rpm
Para Segundo Harmônico de 103 rpm
Para Terceiro Harmônico de 232 rpm
Para Quarto Harmônico de 413 rpm
Para Quinto Harmônico de 645 rpm
Para Sexto Harmônico de 929 rpm
62 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
20 - Altura Máxima do Toll Joint
Quando das conexões e desconexões dos tubos
de perfuração, é necessário se verificar a altura
em que se encontra os tool joints da mesa
rotativa para evitar que a força aplicada nestas
operações acabem fletindo o tubo de perfuração.
A tensão de dobramento é dada por:
σ d
eM R
I
=
×
Onde M é o momento fletor aplicado que é dado
por:
M F Hmax= ×
 e I é o momento de inércia da seção que é calculada por:
( )I D De i= × −pi64 4 4
Existem dois casos a serem analisados:
¾ Chaves Flutuantes a 1800
¾ Chaves Flutuantes a 900
Chaves Flutuantes a 1800
Como as chaves flutuantes estão
a 1800 a força aplicada é o dobro
da força aplicada em cada chave:
F Fc= ×2
Então lembrando que a máxima
tensão é Y se tem:
Y
F H R
I
F H R
I
H
Y I
F R
max e c max e
max
c e
=
× ×
=
× × ×
⇒ =
×
× ×
2
2
Como o torque é dado por:
Q F Lc cf= ×
Coluna de Perfuração 63
SEREC/CEN-NOR
Onde:
Lcf comprimento da chave flutuante
Logo:
H
Y I L
Q Rmax
cf
e
=
× ×
× ×2
Chaves Flutuantes a 900
Neste caso a força aplicada é dado por:
F Fc= ×2
Então se tem:
H
Y I L
Q Rmax
cf
e
=
× ×
× ×2
O fator de segurança utilizado é de 0,9.
Exemplo:
Qual é a altura máxima do toll joint de um tubo de perfuração 4 1/2" OD
16,6 lb/pé IEU, grau E Novo com rosca NC46 ?
Considere o comprimento do braço da chave flutuante de 3 1/2 pés.
Para o tubo 4 1/2" OD 16,6 lb/pé IEU, grau E Novo e rosca NC46 o torque
recomendado na conexão é de 20.396 lbf.pés
Logo considerando a chaves a 1800 se tem:
( ) ( )I D De i= × − = × − =pi pi64 64 4 5 3 826 9 61054 4 4 4, , , pol
H
Y I L
Q Rmax
cf
e
=
× ×
× ×
=
× ×
× ×
=
2
75000 9 6105 3 5
2 20396 4 52
27 49
, ,
,
, pol
A altura máxima para o tool joint é de 0,9 x 27,49 = 24,74 pol = 62,8 cm
E para um tubo premium ?
O torque recomendado é de 12.085 lbf.pés
Desgaste de 80% Espessura 0 337 0 8 0 2696, , ,× = pol
Diâmetro Externo ( )4 5 2 0 337 0 2696 4 3652, , , ,− × − = pol
64 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
( ) ( )I D De i= × − = × − =pi pi64 64 4 3652 3 826 7 30484 4 4 4, , , pol
H
Y I L
Q Rmax
cf
e
=
× ×
× ×
=
× ×
× ×
=
2
75000 7 3048 3 5
2 12085 4 36522
36 35
, ,
,
, pol
A altura máxima para o tool joint é de 0,9 x 36,35 = 32,721 pol = 83,1 cm
21 - Flambagem
Uma coluna não flamba quando sua tensão axial for maior que a media
entre as tensões radiais e tangenciais; isto é:
σ
σ σθ
a
r>
+
2
Lembrando que:
σ r A
B
R
= + 2
σθ = −A
B
R 2
Então uma coluna não flamba quando:
σ a
i i e e
e i
A
P R P R
R R
> =
× − ×
−
2 2
2 2
No ar como:
P Pi e a= = ⇒ >0 0σ
Isto significa que no ar uma coluna não flamba sob tração.
No fluido ao se considerar as pressões internas iguais as externas se tem:
( )
σ a
i e
e i
P R R
R R
P>
× −
−
= −
2 2
2 2
Coluna de Perfuração 65
SEREC/CEN-NOR
Como:
σ a
T
A
=
e a tração é dada por:
T w x PSB P A= × − − ×
Onde:
w peso linear da coluna
PSB Peso sobre a broca aplicado
P Pressão hidrostática no fundo
A Área de aplicação da pressão hidrostática
Então a linha neutra de flambagem é dada por:
( )w x PSB g L A
A
g L x
f
f
× − − × × ×
= − × × −
ρ
ρ
Logo:
( )w x g x A PSB x w g A PSBf f× − × × × = ⇒ × − × × =ρ ρ
Como: ρaco g A w× × =
Então:
x w PSBf
aco
× × −



 =1
ρ
ρ
Logo:
x
PSB
w
=
× α
66 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Isto mostra que a linha neutra de flambagem da coluna imersa esta na
mesma altura da linha neutra de uma coluna no ar com peso linear α x w.
No caso de coluna mista existe uma pequena variação devido a força
hidrostática aplicada no local da variação da área, mas normalmente esta
diferença não é considerada.
Exemplo:
Qual são as alturas da linha neutra e da linha neutra de flambagem de uma
coluna com 1000 pés de peso linear 20 lbf/pé, sabendo que o peso sobre
broca é de 3000 lbf e o poço esta com fluido de perfuração de 10 lbf/gal.
α = − =1
10
65 5 0 8473, ,
Linha neutra de flambagem
x =
×
=
3000
20 0 8473 177, pes
Tração na superfície
T = × × − =20 0 8473 1000 3000 13947, lbf
Linha neutra
0 13947 20 697= − × ⇒ =y y pes
A parte sob compressão, responsável pelo peso sobre broca, é composta
de comandos e tubos pesados. Para se minimizar os problemas
decorrentes da variação brusca de rigidez na coluna, a máxima variação de
diâmetros normalmente utilizada é de 2 polegas. A tabela a seguir traz uma
sugestão para a zona de transição de rigidez.
Dia. Poço
Pol
Dia. DP
Pol
Dia. DC Topo
Pol
Quant.
HW
.....
Até
12 1/4"
5 1/2"
5”
4 1/2"
7” a 9 1/4"
6 1/2" a 8 3/4”
6 1/4" a 8”
(Ideal 8”)
(Ideal 7”)
(Ideal 7”)
15 a 18
15 a 18
Min 18
11”
Até
9 1/2"
5”
4 1/2"
6 1/2" a 8 3/4"
6 1/4" a 8”
(Ideal 7”)
(Ideal 6 1/2")
Min 12
Min 12
8 3/4"
Até
7 7/8”
5”
4 1/2"
4”
Min 6 1/2"
Min 6 1/4"
Min 5 1/4"
(Ideal 7”)
(Ideal 7”)
(Ideal 6”)
Min 12
Min 12
Min 12
6 3/4"
Até
.....
4”
3 1/2"
Min 5 1/4"
Min 4 3/4"
(Ideal 5 1/2")
(Ideal 5 1/2")
Min 15
Min 15
Coluna de Perfuração 67
SEREC/CEN-NOR
Para poços de 12 1/4" ou maiores deve-se utilizar de 3 a 6 comandos de 9”
ou mais no fundo, já para poços entre 9 1/2" e 11” os comandos devem ser
de 8” ou mais. O restante do peso necessário deve ser completado com
comandos de diâmetros variando entre o recomendado para o fundo e o
utilizado no topo.
Os HW devem ter o mesmo diâmetro dos tubos de perfuração e em poços
direcionais utilizar em qualquer caso de 24 a 30 HW.
Exercícios
1) Qual a tensão máxima de um tubo com pressão interna de 5.000 psi e
externa de 1.000 psi, sabendo que diâmetro externo é 10,5 pol e o diâmetro
interno é 9,5 pol.
2) Sabendo que a tensão de cisalhamento máxima de um material é de
50.000 psi e que seu diâmetro externo é de 20 pol. Qual deve ser o
diâmetro interno mínimo se o torque a ser aplicado é de 500 lbf.pé ?
68 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
3) Qualé a tração máxima em um tubo de perfuração 4 1/2” OD 16,6 lb/pé
grau E Novo, e quantos metros deste tubo é possível descer num poço com
fluido de 10 lbf/gal.
Coluna de Perfuração 69
SEREC/CEN-NOR
4) Caso um poço de 3.000 metros depois de entrar em kick seja fechado
com as seguintes pressões:
SIDPP ( pressão no topo dentro da coluna) 200 psi
SICP (pressão no topo no anular coluna revestimento) 1900 psi.
Uma coluna composta por tubos de perfuração 5” OD, 19,5 lb/pé, grau E,
Premium, IEU, conexão NC50, resistiria ao esforço de colapso no topo?
Considere a pressão no fundo do poço de 5.310 psi.
70 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
5) Em certas operações a coluna de perfuração deve ser descida no poço
com a extremidade inferior fechada. Para garantir a integridade da coluna
utiliza-se um “colchão” de fluido no seu interior.
Considere que a seguinte coluna composta de tubos de perfuração 4 1/2”
OD, 16,6 lb/pé, Premium, grau E, range 2, EU, e conexão NC50 vai ser
descida com a extremidade fechada num poço de 15.000 pés, com fluido
de peso específico equivalente a 0,73 psi/pé.
Considere que o fluido do colchão é o mesmo fluido do poço, qual é a altura
mínima e máxima deste colchão?
Coluna de Perfuração 71
SEREC/CEN-NOR
6) Na sonda existem os seguintes comandos:
3 unidades Comandos de 6 3/4” x 2” com peso linear de 141 lbf/pé
5 unidades Comandos de 6 1/4” x 2” com peso linear de 119 lbf/pé
12 unidades Comandos de 6” x 2” com peso linear de 109 lbf/pé
Sabendo que o fluido no poço tem peso específico de 10 lb/gal, Como você
comporia sua coluna se o peso máximo que a broca pode suportar é de
40.000 lbf.
72 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
7) Uma coluna de perfuração com 6.00 pés é composta de 15 comandos,
cada um com 30 pés, de 7” OD por 3” ID e o restante de tubos 4 1/2” OD
16,6 lb/pé grau E. Supondo que o peso sobre a broca seja de 35.000 lbf e o
fluido no poço de 10 lb/gal, pede-se:
a) linha neutra de flambagem.
b) Carga no gancho
c) Tração no primeiro tubo de perfuração acima dos comandos.
d) Tração a 2.000 pés abaixo da mesa rotativa
e) Linha neutra de tração
Coluna de Perfuração 73
SEREC/CEN-NOR
22 - Projeto da Coluna de Perfuração
Para se fazer o projeto de uma coluna de perfuração são necessários os
seguintes dados:
5 Diâmetro da Fase
5 Profundidade Total da Fase
5 Equipamentos Disponíveis
5 Máximo Peso a Ser Aplicado Sobre a Broca
5 Peso Específico do Fluido de Perfuração
Determinação do BHA (Bottom Hole Assembly)
Cálculo do Fator de Flutuação
α
γ
γ= −1
f
a
Onde:
γf Peso específico do fluido
γa Peso específico do aço
Determinação do peso mínimo dos comandos
( )W
PSB
PLNdc
max
=
× ×cos θ α
Onde:
PSBmax Peso máximo sobre broca
θ Inclinação do poço
PLN Posição onde fica a linha neutra, normalmente 0,80
Uma vez determinado o peso mínimo de comandos, deve-se conciliar com
os equipamentos disponíveis levando-se em conta as recomendações
básicas para a zona de transição de rigidez.
Peso total do BHA submerso.
( )P L W L W L WBHA dc dc dc dc HW HW= × + × + + × ×1 1 2 2 1... α
Determinação do Comprimento dos DP por Tipo
Para o primeiro tipo de tubo de perfuração se tem:
Utilizando coeficiente de segurança
74 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
L
R P
W CSDP
t BHA
DP
=
× −
× ×
0 9,
α
Utilizando Margem de OverPull
L
R P MOP
WDP
t BHA
DP
=
× − −
×
0 9,
α
Onde:
LDP Comprimento dos Tubos de Perfuração
Rt Resistência a Tração
CS Coeficiente de Segurança, normalmente 1,125
MOP Margem de OverPull
Para os próximos tipos deve-se apenas incorporar o peso dos tubos de
perfuração já calculado no peso do BHA.
Após se escolher os tipos de tubos de perfuração deve-se proceder as
seguintes verificações:
Ao Colapso
Para cada tipo de tubo de perfuração utilizado deve-se verificar se a
resistência ao colapso supondo o interior da coluna vazia. Então a pressão
hidrostática deve ser menor que a resistência ao colapso reduzida.
P Rcr≤
Deve-se calcular também a maior profundidade que a coluna “seca” pode
alcançar.
H
R
g CSmax
cr
fl
=
× ×ρ
Em unidades de campo se tem:
H
R
CSmax
cr
fl
=
×
×
5 87,
ρ
Onde:
Rcr Resistência ao Colapso Reduzida em psi
ρfl Peso Específico do Fluido em lbf/gal
Hmax Profundidade Máxima em metros
CS Coeficiente de Segurança, normalmente 1,125
Coluna de Perfuração 75
SEREC/CEN-NOR
A Pressão Interna
Deve-se verificar se a resistência a pressão interna do tubo mais fraco é
maior que a máxima pressão interna possível.
Ao Torque
A resistência ao torque reduzida deve ser maior que o torque gerado nas
conexões e durante a perfuração. O torque gerado durante a perfuração
pode ser calculado aproximadamente por:
Torque
Pot
rpm
≈
× 5250
Onde o torque é medido em lbf.pé; e a potência em HP.
Dog-Leg
Deve-se calcular o máximo dog-leg que a coluna pode ser exposta. A API
RP7G na seção 8 propõe as seguintes fórmulas para cálculo do dog-leg
máximo:
( )
c
E D
K L
K L
b
= ×
×
×
×
×
432000
pi
σ tanh
Com:
c Dog-leg severity máximo em graus/100 pés
L Metade da distância entre tool joints em pol. Para range II 180 pol.
E Módulo de Young em psi 30x106 psi para aço
10,5x106 psi para alumínio
K Dado pela fórmula abaixo..
K
T
E I
=
×
Onde:
T Peso submerso da coluna abaixo do Dog-Leg em libra
I Momento de Inércia dado por
( )I D d= × −pi64 4 4
Sendo D o diâmetro externo e d o diâmetro interno, ambos em polegadas.
σb Máxima tensão de dobramento, calculada por:
76 Coluna de Perfuração
SEREC/CEN-NOR
Seja:
σ t
T
Area
=
Para Grau E com σt até 67000 psi
( )σ σ σb t t= − × − × −19500 1067
0 6
670
335002
2,
Para Grau S com σt até 133400 psi
σ
σ
b
t
= × −



20000 1 145000
Conhecendo-se a força lateral (F) que atua no tool joint o dog-leg severity
máximo pode ser calculado por:
c
L
F
T
=
×
×
108000
pi
Para força lateral até 3000 libras.
23 - Causas de Ruptura
As principais causas de ruptura são:
¾ Fadiga
¾ Desgaste
¾ Esforços além do limite
¾ Wash-outs
¾ Corrosão
Fadiga
A fadiga se origina por esforços cíclicos, com fissuras imperceptíveis que
diminuem a resistência original dos tubos.
As causas mais comuns da fadiga são:
a) Tubos de perfuração trabalhando em compressão. (Falta de Comandos
suficientes)
b) Dog-Legs muito elevados (concentradores de tensões)
Coluna de Perfuração 77
SEREC/CEN-NOR
As principais precauções necessárias são:
Verificar sempre que possível os Dog-Legs no poço e inspecionar os tubos
que trabalharam em áreas críticas de Dog-Legs elevados.
Verificar sempre o alinhamento entre o bloco de coroamento e a mesa
rotativa, evitado assim que os tubos de perfuração trabalhem sob flexão.
Colocar comandos suficientes para fornecerem peso sobre a broca, bem
como colocar comandos com diâmetros variados e HW para permitir uma
mudança gradual de rigidez.
Em unidades flutuantes adotar Kelly mais longo que o usual (pelo menos
2,5 metros a mais) devido aos movimentos de Roll e Pitch.
Deve-se evitar ranhuras e sulcos, e como a maioria das ranhuras e sulcos
são causadas por pedaços de metal no poço ou por manuseio incorreto
deve-se utilizar cunhas e mordentes adequados, tendo cuidados durante a
colocação da cunha e da chave flutuante, bem como durante a
movimentação da coluna. Deve-se sempre fazer inspeções visuais
procurando detectar o mais cedo possível qualquer ranhura ou sulco.
Fazer um programa de inspeções, permitindo assim detectar o mais
rapidamente possível as micro fissuras que estão relacionadas com a
fadiga evitando assim a quebra da coluna no poço, o que causa sempre
grandes gastos.
Desgaste
Provocado pelo contato durante a perfuração da coluna com a parede do