Principais ferramentas de fundo de poço: um guia completo para a classificação e aplicação de brocas de cone de rolos e brocas diamantadas.

01 Brocas de Cone Rolante: Ferramentas Versáteis para Adaptação a Formações

Desde seu surgimento em 1909, as brocas de cone de rolos se tornaram o tipo de broca mais utilizado na perfuração rotativa. Seu design estrutural multicônico exclusivo permite que elas se adaptem a diversas condições de formação, desde macias até extremamente duras.

Composição estrutural e tecnologias centrais

Uma broca cônica de rolos consiste em cinco componentes principais:

• Corpo da broca: Três pernas cônicas soldadas entre si, com roscas de conexão na parte superior.
• Cones de rolos: Corpos metálicos cônicos com dentes fresados ​​ou dentes inseridos na superfície.
• Sistema de rolamentos: Composto por quatro conjuntos de rolamentos: grandes, médios, pequenos e de encosto.
• Bicos: Normalmente em número de 3 a 4, com diâmetro de 7 a 14 mm.
• Sistema de armazenamento e vedação de óleo: Anéis de vedação de borracha ou metal combinados com dispositivos de compensação de pressão.

Dentre essas inovações, a tecnologia de vedação de mancais representa um avanço tecnológico fundamental para brocas de cone de rolos. As brocas modernas adotam um sistema de compensação de pressão por armazenamento de óleo, que mantém o equilíbrio dinâmico entre a pressão do óleo na cavidade do mancal e a pressão da coluna de fluido de perfuração no fundo do poço por meio de componentes como orifícios de transmissão de pressão, diafragmas de compensação de pressão e copos de óleo.

Sistema de Classificação e Codificação IADC

A Associação Internacional de Empresas de Perfuração (IADC) desenvolveu um padrão de classificação globalmente unificado para brocas de cone de rolos, utilizando um sistema de codificação de três dígitos:

Primeiro dígito: Tipo de dente e formação aplicável

1: Dentes fresados, formações macias

2: Dentes fresados, formações de dureza média a média-dura

3: Dentes fresados, formações duras e abrasivas

5: Inserir dentes, formações macias a médias

6: Inserir dentes, formações de dureza média

7: Inserir dentes, formações duras e abrasivas

8: Inserir dentes, formações extremamente duras e altamente abrasivas.

Segundo dígito: Subdivisão da dureza da formação (Grau 1-4; números mais altos indicam formações mais duras)

Terceiro dígito: Características estruturais do bit

4: Rolamentos de rolos selados

6: Mancais deslizantes selados

7: Mancais deslizantes selados + proteção do medidor de inserção

8: Brocas defletoras para perfuração direcional

Sistema de classificação IADC simplificado para brocas de cone de rolos

Mecanismo de quebra de rochas e características de movimento

Durante a operação, uma broca de cone de rolos apresenta três tipos de movimento composto:

• Revolução: Os cones giram no sentido horário juntamente com toda a broca.
• Rotação: Os dentes giram no sentido anti-horário em torno do eixo do cone.
• Deslizamento: Incluindo deslizamento radial e tangencial.

Esse movimento composto produz um efeito duplo de quebra de rochas:

1.Efeito de esmagamento por impacto: O contato alternado de dentes simples e duplos com o orifício inferior gera vibração longitudinal, criando cargas de impacto.

2.Efeito de cisalhamento por deslizamento: O cisalhamento da rocha é obtido através do projeto de estruturas com saliências, cones duplos e estruturas deslocadas.

Estratégia de Seleção e Correspondência de Formação 

Princípios básicos para a seleção de brocas de rolos cônicos com base nas propriedades da rocha:

• Formações Macias: Selecione brocas com estruturas deslocadas, salientes e de cone duplo, equipadas com dentes fresados ​​ou inseridos altos, largos e esparsos.
• Formações de dureza média a alta: Reduza os valores de deslocamento, saliência e cone duplo; use dentes curtos, estreitos e densos.
• Formações duras e abrasivas: Adote rolos de cone único sem saliência ou deslocamento, equipados com dentes esféricos ou dentes cônico-esféricos.
• Formações propensas a deflexão: Selecione brocas de dentes curtos, sem offset ou com offset pequeno, e sem dentes de referência.
• Formações intercaladas de rochas macias e duras: Selecione o tipo de broca com base na rocha mais dura e ajuste os parâmetros dinamicamente durante a perfuração.

Resposta a Condições Especiais de Trabalho

• Furos de pequeno diâmetro (<177 mm): Utilize brocas cônicas de rolo único, que possuem cones, dentes e rolamentos maiores para maior resistência.
• Perfuração direcional: Selecione brocas defletoras especiais com o terceiro dígito do código IADC sendo 8. 

02 Brocas de Diamante: Ferramentas Poderosas para Formações Duras 

Sendo o material mais duro da natureza, o diamante possui dureza 10 na escala de Mohs, resistência à compressão de até 8800 MPa e resistência ao desgaste 9000 vezes maior que a do aço. Graças a essa propriedade, as brocas diamantadas se tornaram a ferramenta ideal para lidar com formações rochosas duras.

Sistema de Classificação e Evolução Tecnológica

As brocas diamantadas modernas dividem-se principalmente em três tipos:

1.Brocas diamantadas para fixação de superfície

• Partículas de diamante ficam expostas na superfície da matriz.
• Adequado para formações de dureza média a alta.
• Classificação do tamanho das partículas de diamante:
• Formações macias: 2 grãos por quilate (gpc) (tamanho da partícula aprox. 4 mm)
• Formações de dureza média: 3-4 gpc (tamanho das partículas aprox. 3,6 mm)
• Formações duras: 10-15 gpc (tamanho das partículas aprox. 2,0 mm)

2.Brocas de diamante impregnadas

• Os diamantes são impregnados dentro da matriz (60-400 gpc).
• Adequado para formações duras e abrasivas (ex.: sílex, dolomita siliciosa).
• O autoafiamento do diamante é obtido através do desgaste da matriz.

3.Brocas PDC (Brocas Compactas de Diamante Policristalino)

• Introduzido pela primeira vez pela General Electric (GE) dos Estados Unidos em 1973.
• Estrutura compacta: Camada de diamante + substrato de carboneto cimentado.
• Adequado para formações homogêneas de dureza média a baixa.

Projeto estrutural e parâmetros principais

As brocas diamantadas adotam um design integral sem partes móveis, incluindo principalmente:

• Corpo em aço: Fabricado em aço de médio carbono, com roscas de conexão na parte superior.
• Matriz: Pó de carboneto de tungstênio + metal de ligação à base de cobre, com dureza de HRC 30-45.
• Elementos de corte: Diamantes naturais/sintéticos ou compactos de PDC.
• Estrutura hidráulica: Cursos d'água e canais de escoamento (radiais, espirais, etc.).

Parâmetros-chave de projeto

• Concentração de diamante: Ajustada com base na abrasividade da formação; maior concentração para formações mais abrasivas.
• Altura da saliência:
• Formações macias: 1/3 do tamanho das partículas
• Formações duras: 1/6 a 1/10 do tamanho da partícula
• Formato dos lábios:
• Fundo plano: Para formações homogêneas
• Curvo: Para formações rígidas
• Serrilhada: Para formações abrasivas

Mecanismo de quebra de rochas e resposta da formação

O método de quebra de rochas por brocas diamantadas varia de acordo com as propriedades da formação:

Formações plásticas (ex.: argilito, gesso): Semelhante a um processo de "aração"; os diamantes penetram na formação, causando o fluxo plástico da rocha.

Formações frágeis (ex.: arenito quartzoso): Formam-se poços de britagem volumétrica, com dimensões de corte de 2 a 4 vezes a protrusão dos diamantes, resultando em alta eficiência.

Rochas duras (ex.: sílex, rocha siliciosa): Utilizam-se brocas impregnadas, e a quebra da rocha é feita por meio de microcorte e raspagem, semelhante à abrasão de uma rebolo.

Vantagens e limitações técnicas dos bits PDC

Como um produto revolucionário na família de brocas diamantadas, as brocas PDC possuem vantagens exclusivas:

Características estruturais

Brocas PDC com corpo em aço: Fabricadas em aço carbono médio com tratamento de endurecimento superficial.

Brocas PDC com corpo em matriz: Corpo superior em aço + matriz inferior em carboneto de tungstênio, oferecendo melhor desempenho.

Design de perfil

Parabólica: Para formações macias, permitindo alta metragem e taxa de perfuração.

Redondo: Para perfuração em mesa rotativa, facilitando a penetração em intercalações duras.

Cônica: Para perfuração em alta velocidade, com bom desempenho de penetração.

Limitações de aplicação

Não é adequado para formações de cascalho e formações intercaladas de solos macios e duros.

Limite de resistência à temperatura (o desgaste se intensifica acima de 350°C; a falha por resistência ocorre a 700°C).

Baixa resistência ao impacto; lascamento das bordas das brocas novas é comum.

Tabela comparativa de formações aplicáveis ​​para brocas diamantadas

03 Guia de Seleção Científica: Compatibilidade entre Formações e Requisitos Operacionais

Regras de ouro para a seleção de brocas cônicas de rolos

Correspondência de dureza de formação

Formações macias: Selecione brocas com alto offset, saliência e estruturas de cone duplo, equipadas com dentes em forma de cunha ou colher.

Formações rígidas: Adote estruturas de cone único, sem deslocamento, equipadas com dentes esféricos ou dentes cônico-esféricos.

Resposta à abrasividade

Para formações abrasivas, utilize brocas com insertos e dentes de medição.

Se os dentes da fileira externa estiverem arredondados, enquanto os dentes do meio apresentarem pouco desgaste, a próxima broca deverá ser projetada com proteção reforçada contra desgaste.

Contramedidas para Condições Especiais de Trabalho

Formações propensas a deflexão: Selecione brocas de dentes curtos, sem offset ou com offset pequeno; a adaptabilidade à formação deve ser ligeiramente menor do que a da formação em si.

Formações intercaladas de rochas macias e duras: Selecione as brocas com base na rocha mais dura e ajuste os parâmetros dinamicamente durante a perfuração.

Perfuração de seções de poços profundos: Utilize brocas com alta metragem total para compensar a perda de tempo de manobra.

Estratégia de seleção para brocas de diamante

Condições aplicáveis ​​para bits PDC

Cenários ideais: Formações longas e homogêneas, de dureza baixa a média (ex.: xisto, argilito, gesso).

Cenários proibidos: Formações de cascalho, intercalações de sílex, intercalações de formações moles e duras.

Configuração dos parâmetros: Baixo WOB (30-60 kN), alta rotação (100-300 rpm), alta vazão.

Condições aplicáveis ​​para brocas de diamante natural/sintético

Formações duras a extremamente duras (ex.: granito, arenito quartzoso).

Formações altamente abrasivas (ex.: sílex, dolomita siliciosa).

Perfuração com turbina, poços profundos/ultraprofundos e operações de extração de testemunhos.

Requisitos especiais para bits de núcleo

Brocas de núcleo de cone de rolos: Design de cone de quatro rolos (cônico/cilíndrico) ou cone de seis rolos (cilíndrico completo).

Brocas diamantadas: Requerem arestas de corte distribuídas simetricamente com resistência consistente ao desgaste.

Indicador chave: Concentricidade entre o furo interno e o círculo externo para evitar a ovalização do núcleo.

Avaliação e tratamento de anomalias em poços de petróleo

Identificação das condições de funcionamento da broca cônica de rolos

Danos nos rolamentos: solavancos periódicos na mesa rotativa, que pioram sob alta carga sobre a broca (WOB), redução da taxa de perfuração, mas pressão da bomba normal.

Perda de cone: Aprisionamento severo da perfuração, flutuação violenta do indicador de peso, alteração na profundidade de entrada ao puxar a coluna de perfuração.

Desgaste dos dentes: Redução da carga na mesa rotativa, sem vibrações, diminuição significativa na velocidade de perfuração.

Proibições de uso para brocas de diamante

O fundo do furo deve ser limpo antes de a broca ser inserida para garantir que não restem detritos metálicos.

Comece a perfuração com baixo peso sobre a broca (WOB) e baixa rotação por minuto (RPM) para "amaciamento" (condicionamento do fundo do poço a 0,5 m).

Evite operações de alargamento; se necessário, utilize baixo peso sobre a correia (WOB) e baixa rotação (RPM) para uma operação uniforme.

Contato:Jessie Zhou
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