EQUIPAMENTO PARA USO EM UM FURO DE POÇO, MÉTODO PARA ESTABELECER UMA SEÇÃO NÃO REVESTIDA DE UM FURO DE POÇO EM UMA FORMAÇÃO SUBTERRÂNEA, MÉTODO PARA FACILITAR O USO DE UM FURO DE POÇO, MÉTODO PARA VEDAR UMA PARTE DE UM FURO DE POÇO TUBULAR, SISTEMA PARA FACILITAR A COMUNICAÇÃO AO LONGO DE UM FURO DE POÇO E MÉTODO DE RGTEAMEWTG DE UMA LINHA DE POÇO
CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção se refere a equipamentos que podem ser usados na perfuração e acabamento de furos de poços em uma formação subterrânea e na produção de fluidos provenientes de tais poços.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Fluidos tais como petróleo, gás natural e água são obtidos a partir de uma formação geológica subterrânea (um "reservatório") através da perfuração de um poço que penetra na formação que abriga o fluido. Uma vez o poço tenha sido perfurado até uma certa profundidade o furo de poço necessita ser sustentado para evitar colapso. Os métodos convencionais de perfuração de poços envolvem a instalação de uma seqüência de armações e cimentando entre a armação e o furo de poço para proporcionar suporte para a estrutura do furo de poço. Após cimentar uma seqüência de armações no local, a perfuração para maiores profundidades pode ser iniciada. Após cada parte da seqüência de armações ser instalada, a próxima broca de perfuração precisa passar ao longo do diâmetro interno da armação. Desse modo, cada alteração na armação requer uma redução no diâmetro do furo de poço. Essa repetida redução no diâmetro do furo de poço cria uma necessidade quanto a diâmetros iniciais de furos de poços muito grandes, para permitir um razoável diâmetro de tubo na profundidade onde o furo de poço penetra na formação. A necessidade quanto a maiores furos de poço e múltiplas seqüências de armações resulta em mais tempo, material e despesas sendo usadas que se um furo de poço com furo uniforme pudesse ser perfurado desde a superfície até a formação produtora.
Diversos métodos têm sido desenvolvidos para estabilizar ou completar furos de sondagem sem armações. A Patente Ü.S. No. 5.348.095 para Worral e outros, revela um método envolvendo a expansão radial de uma série de revestimentos até uma configuração com um diâmetro maior. Forças muito grandes são necessárias para conferir a desejada deformação radial desejada nesse método. Em um esforço para diminuir as forças necessárias para expandir a série de armações, métodos que envolvem a expansão de uma forração que tenha aberturas longitudinais cortadas dentro dela têm sido propostos (Patentes U.S. Nos. 5.366.012 e 5.667.011). Esses métodos envolvem a deformação radial da forração dotada de aberturas na forma de uma configuração com um diâmetro aumentado mediante movimentar um mandril de expansão ao longo da forração dotada de aberturas. Esses métodos ainda requerem significativas quantidades de forças a serem aplicadas ao longo do comprimento total da forração dotada de aberturas.
Um problema freqüentemente encontrado durante a perfuração de um poço é a perda dos fluidos de perfuração para dentro das zonas subterrâneas. A perda dos fluidos de perfuração usualmente conduz a despesas aumentadas e pode resultar em um colapso do furo de poço e a um dispendioso trabalho de "pescaria" para resgatar a seqüência de brocas ou de outras ferramentas que estavam no poço. Diversos aditivos são comumente usados inseridos nos fluidos de perfuração para ajudar isolar as zonas de circulação de perdas, tais como cascas de sementes de algodão ou fibras sintéticas.
Uma vez o poço seja posto em produção, um influxo de areia proveniente da formação produtora pode levar a um preenchimento indesejado do interior do furo de poço e pode danificar válvulas e outros equipamentos relacionados com a produção. Muitos métodos têm sido tentados para o controle da areia. A presente invenção é dirigida para superar, ou pelo menos reduzir os efeitos de um ou mais problemas apresentados acima, e pode ser útil também em outras aplicações.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De acordo com a presente invenção, é proporcionada uma técnica para uso de um dispositivo biestável expansivel em um furo de poço. O dispositivo biestável é estável em uma primeira configuração contraída e em uma segunda configuração expandida. Um dispositivo de exemplo é geralmente tubular, possuindo um diâmetro maior na configuração expandida que na configuração contraída. A técnica pode também utilizar um mecanismo transportador capaz de transportar o dispositivo biestável até uma posição em um furo de poço subterrâneo. Além disso, o dispositivo biestável pode ser construído em diversas configurações para uma variedade de aplicações. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A invenção será em seguida descrita com referência aos desenhos anexos, onde as referências numerais idênticas denotam elementos idênticos, e: As Figuras IA e 1B são ilustrações das forças impostas para produzir uma estrutura biestável;
As Figuras 2A e 2B mostram as curvas de força-deflexão de duas estruturas biestáveis;
As Figuras 3A - 3F ilustram estados expandidos e colapsados de três células biestáveis com várias relações de espessura;
As Figuras 4A e 4B ilustra um tubular expansivel biestável, em seu estado expandido, e colapsado;
As Figuras 4C e 4D ilustra um tubular expansivel biestável em estados colapsado e expandido, dentro de um furo de poço; AS Figuras 5A e 5B ilustram um dispositivo de desdobramento do tipo empacotador expansivel;
As Figuras 6A e 6B ilustram um dispositivo de desdobramento do tipo empacotador mecânico;
As Figuras 7A - 7D ilustram um dispositivo de desdobramento do tipo matriz expansivel;
As Figuras 8A ilustram um dispositivo de desdobramento do tipo pistão;
As Figuras 9A e 9B ilustram um dispositivo de desdobramento do tipo batoque;
As Figuras 10A e 10B ilustram um dispositivo de desdobramento do tipo esfera; A Figura 11 é um esquema de um furo de poço utilizando um tubular expansivel biestável; A Figura 12 ilustra um dispositivo de desdobramento de roletes radiais acionados por motor; e A Figura 13 ilustra um dispositivo de desdobramento de roletes radiais acionados hidraulicamente. A Figura 14 ilustra um tubular expansivel biestável possuindo um envoltório; A Figura 14A é uma vista similar à da Figura 14 na qual o envoltório compreende uma tela; A Figura 14B é uma vista similar à da Figura 14 mostrando uma outra modalidade alternativa; A Figura 14C é uma vista similar à da Figura 14 mostrando uma outra modalidade alternativa; A Figura 14D é uma vista similar à da Figura 14 mostrando uma outra modalidade alternativa; A Figura 14E é uma vista similar à da Figura 14 mostrando uma outra modalidade alternativa; A Figura 15 é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa da presente invenção. A Figura 15A é uma vista em seção transversal de uma modalidade alternativa da presente invenção. A Figura 16 é uma vista parcial em perspectiva de uma modalidade alternativa da presente invenção.
As Figuras 17A-B são uma vista parcial em perspectiva e uma vista final parcial em seção transversal, respectivamente de uma modalidade alternativa da presente invenção. A Figura 18 é uma vista final parcial em seção transversal de uma modalidade da presente invenção.
Embora a invenção seja suscetivel de diversas modificações e formas alternativas,, as suas modalidades especificas são mostradas a titulo de exemplo nos desenhos e são aqui descritas em detalhes. Deve ser entendido, entretanto, que a presente descrição das modalidades especificas não é pretendida a limitar a invenção às formas particulares reveladas, mas ao contrário, a invenção é para cobrir todas as modificações, equivalentes, e alternativas que se insiram no espirito e escopo da invenção como definido pelas reivindicações anexas.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES EXEMPLARES
Dispositivos biestáveis usados na presente invenção podem tirar vantagem de um principio ilustrado nas Figuras IA e 1B. A Figura IA mostra uma haste fixada em cada ponta a suportes rígidos 12. Se a haste 10 é submetida a uma força axial ela começa a se deformar como mostrado na Figura 1B. À medida que a força axial é aumentada a haste 10 encontra finalmente seu limite de empenamento de Euler e se deflexiona para uma das duas posições estáveis mostradas como 14 e 15. Se a haste empenada é agora travada na posição empenada, uma força em ângulos retos em relação ao eixo longitudinal pode induzir a haste a se mover para uma ou outra das posições estáveis, mas não para outra posição.
Quando a haste é submetida a uma força lateral, ela precisa se mover através de um ângulo β antes de se deflexionar até sua nova posição estável.
Os sistemas biestáveis são caracterizados por uma curva da força de deflexão, tal como aquelas mostradas nas Figuras 2A e 2B. A força 16, aplicada externamente, induz a haste 10 da Fig. 1B a se mover na direção X e atingir um máximo 18 no inicio de se alterar desde uma configuração estável para a outra. A deflexão adicional requer menos força devido ao fato de que o sistema agora possui uma taxa de elasticidade negativa e quando a força se torna zero, a deflexão até a segunda posição estável é espontânea. A curva da força de deflexão para esse exemplo é simétrica e está ilustrada na Figura 2A. Mediante a introdução ou de uma pré-curvatura à haste ou de uma seção transversal assimétrica, a curva da força de deflexão pode ser tornada assimétrica como mostrado na Figura 2B. Nesse sistema, a força 19, requerida para induzir a haste a assumir uma posição estável, é maior que a força 20, requerida para induzir a deflexão reversa. A força 20 precisa ser maior que zero para o sistema possuir características biestáveis.
Estruturas biestáveis, algumas vezes referidos como dispositivos com ação de cotovelo, têm sido usados na indústria para tais dispositivos como discos flexíveis, fixadores excêntricos, dispositivos de oprimir e sistemas de liberação rápida para cabos de tensão (tais como em cordas de amarras de veleiros) .
Ao invés de usar os suportes rigidos como mostrados nas Figuras IA e 1B, uma célula pode ser construída onde a contenção é proporcionada pelos contrafortes encurvados conectados em cada ponta como mostrado nas Figuras 3A e 3F. Se ambos os contrafortes 21 e 22 possuem a mesma espessura como mostrado nas Figuras 3A e 3B, a curva da força de deflexão é linear e a célula se prolonga quando comprimida a partir de sua posição aberta 3B até sua posição fechada 3A. Se os contrafortes da célula possuem espessuras diferentes, como mostrado nas Figuras 3C - 3F, a célula possui as características da força de deflexão mostradas na Figura 2B, e não se altera em comprimento qual ela se move entre suas duas posições estáveis. Um tubular biestável expansível pode ser desse modo projetado de modo que à medida que sua dimensão radial se expande, o comprimento axial permanece constante. Em um exemplo, se a relação de espessura é acima de aproximadamente 2:1, o contraforte mais pesado resiste às alterações longitudinais. Através da mudança da relação das dimensões do contraforte de grosso para delgado, as forças de abertura e de fechamento podem ser alteradas. Por exemplo, as Figuras 3C e 3D ilustram uma relação de espessura de aproximadamente 3:1, e as Figuras 3E e 3F ilustram uma relação de espessura de aproximadamente 6:1.
Um tubular biestável de furo, expansivel; tal como uma armação, um tubo, uma emenda, ou uma tubulação, pode ser construído, com uma série de células biestáveis circunferenciais 23, conectadas, como mostrado nas Figuras 4A e 4B, onde cada contraforte fino 21 está conectado a um contraforte grosso 22. A flexibilidade longitudinal de um tal tubular pode ser modificada através da alteração do comprimento das células e mediante a conexão de cada fileira de células com uma articulação complacente. Além disso, as características da força de deflexão e a flexibilidade longitudinal podem ser também alteradas através do projeto da forma da célula. A Figura 4A ilustra um tubular biestável expansivel 24 em sua configuração expandida, enquanto que a Figura 4B ilustra o tubular biestável expansivel 24 em sua configuração contraída ou colapsada. Dentro desse pedido, o termo "colapsado" é usado para identificar a configuração do elemento ou dispositivo biestável no estado estável, com o menor diâmetro, ele não é significado implicar que o elemento ou dispositivo esteja danificado de nenhum modo. No estado colapsado, o tubular biestável 24 é facilmente introduzido dentro de um furo de poço 29, como ilustrado na Figura 4C. Com o posicionamento do tubular biestável 24 em uma posição desejada no furo do poço, ele é expandido, como ilustrado na Figura 4D. Δ geometria das células biestáveis é tal que a seção transversal tubular pode ser expandida na direção radial para aumentar o diâmetro total do tubular. À medida que o tubular se expande radialmente, as células biestáveis se deformam elasticamente até que uma geometria especifica seja atingida. Nesse ponto, as células biestáveis se movem, por ex., estalam, até uma geometria final expandida. Com alguns materiais e/ou projetos de células biestáveis, energia suficiente pode ser liberada na deformação elástica da célula (à medida que cada célula biestável estala ao ultrapassar a geometria especifica), que as células que se expandem são capazes de iniciar a expansão das células biestáveis adjacentes que ultrapassam a critica geometria da célula biestável. Dependendo das curvas de deflexão, uma parte ou mesmo o comprimento total do tubular biestável expansivel pode ser expandido a partir de um ponto único.
Do mesmo modo, se as forças compressivas radiais são exercidas sobre um tubular biestável expansivel, ele se contrai radialmente e as células biestáveis se deformam elasticamente até que uma geometria critica seja atingida. Nesse ponto as células biestáveis estalam até uma estrutura final colapsada. Desse modo, a expansão do tubular biestável é reversível e repetível. Portanto, o tubular biestável pode ser uma ferramenta que é seletivamente alterada entre o estado expandido como mostrado na Figura 4A e o estado colapsado, como mostrado na Figura 4B.
No estado colapsado, como na Figura 4B, o tubular biestável expansivel é facilmente inserido dentro do furo do poço e colocado na posição. Um dispositivo de desdobramento é em seguida usado para alterar a configuração desde o estado colapsado até o estado expandido.
No estado expandido, como na Figura 4A, o controle do projeto das propriedades do material elástico de cada célula biestável pode ser tal que uma força radial constante pode ser aplicada por meio da parede do tubular para a contenção da superfície do furo do poço. As propriedades do material e a forma geométrica das células biestáveis podem ser projetadas para produzirem certos resultados desejados.
Um exemplo de esboço para certos resultados desejados é uma seqüência tubular biestável expansivel com mais que um diâmetro ao longo do comprimento da seqüência. Isso pode ser útil em furos de poços com variação de diâmetros, se assim projetados, ou como um resultado de ocorrências inesperadas, tal como a formação de desmoronamentos ou de cavas dentro do furo do poço. Isto também pode ser proveitoso quando é desejado ter uma parte do dispositivo biestável expansivel localizada dentro de uma seção estruturada da parede, enquanto que a outra parte é posicionada em uma seção não estruturada do poço. Um furo de poço 40 é perfurado desde a superfície 42, e compreende uma seção estruturada 44 e uma seção do furo a descoberto 46. Um dispositivo biestável expansível 48 que possui segmentos 50, 52 com vários diâmetros, é colocado no poço. O segmento de maior diâmetro 50 é usado para estabilizar a seção do furo a descoberto 46 do poço, enquanto que o segmento que possui um diâmetro reduzido 52 é posicionado dentro da seção estruturada 44 do poço.
Colares biestáveis ou conectores 24A (ver Figura 4C) podem ser projetados para permitir que as seções do tubular biestável expansível sejam unidas juntamente na forma de uma seqüência de comprimentos úteis usando o mesmo princípio como ilustrado na Figura 4A e 4B. Esse conector biestável 24A também incorpora um projeto de célula biestável que permite a ele se expandir radialmente, usando o mesmo mecanismo como para o componente tubular biestável expansível. Conectores biestáveis exemplares possuem um diâmetro ligeiramente maior que o das seções tubulares expansíveis às quais estão unidos. O conector biestável é então posicionado sobre as pontas das duas seções e mecanicamente fixado nas seções tubulares expansíveis. Prendedores mecânicos, tais como parafusos, rebites ou cintas podem ser usados para conectar o conector nas seções tubulares. O conector biestável é tipicamente projetado para ter uma taxa de expansão que seja compatível com as seções tubulares expansíveis, tal que ele continua a conectar as duas seções após a expansão dos dois segmentos e do conector.
De modo alternativo, o conector biestável pode ter um diâmetro menor que o das duas seções tubulares expansíveis unidas. Em seguida, o conector é inserido dentro das extremidades dos tubulares e fixadas mecanicamente como discutidas acima. Uma outra modalidade poderia envolver a usinagem das extremidades das seções tubulares sobre ou suas superfícies internas ou externas, para formar um recesso anular no qual o conector é posicionado. Um conector projetado para se ajustar dentro do recesso é colocado no recesso. O conector poderia ser então mecanicamente fixado às extremidades como descrito acima. Desse modo, o conector forma uma conexão comparativamente do tipo descarga com as seções tubulares.
Um dispositivo transportador 31 transporta os comprimentos tubulares biestáveis expansíveis e os conectores biestáveis para dentro do furo do poço e para a posição correta. (Ver Figuras 4C e 4D) . O dispositivo transportador pode utilizar um ou mais mecanismos tais como um cabeamento de fios, tubulação em espiral, tubulação em espiral com condutor de fios, tubos de perfuração, tubulação ou estruturações.
Um dispositivo de desdobramento 33 pode ser incorporado dentro da montagem de fundo do poço para expandir o tubular e os conectores biestáveis expansiveis. (Ver Figuras 4C e 4D). Os dispositivos de desdobramento podem ser de diversos tipos tal como um elemento empacotador inflável, um elemento empacotador mecânico, uma matriz expansível, um equipamento a pistão, um atuador mecânico, um solenóide elétrico, um equipamento tipo batoque, por ex., um dispositivo de configuração cônica, puxado ou empurrado ao longo da tubulação, um equipamento do tipo esfera ou um expansor do tipo giratório como posteriormente discutido abaixo.
Um elemento empacotador inflável é mostrado nas Figuras 5A e 5B, sendo um dispositivo com um elemento lâmina, inflável, ou foles incorporados dentro do sistema tubular biestável expansivel da montagem do fundo do poço.
Na ilustração da Figura 5A, o elemento empacotador 25 é localizado dentro do comprimento total, ou de uma parte, do tubular inicial biestável em estado colapsado 24 e qualquer dos conectores expansiveis (não mostrado). Uma vez o sistema tubular biestável expansivel esteja na correta profundidade de desdobramento, o elemento empacotador inflável 25 é expandido radialmente mediante o bombeamento de fluido para dentro do dispositivo como mostrado na Figura 5B. O fluido de inflação pode ser bombeado desde a superfície através da tubulação ou tubos de perfuração, uma bomba mecânica, ou via uma bomba elétrica no fundo do poço a qual é energizada através de um cabeamento de fios. À medida que o elemento empacotador inflável 25 se expande, ele força o tubular biestável expansivel 24 para também se expandir radialmente. Em um certo diâmetro de expansão, o elemento empacotador inflável induz às células biestáveis no tubular a encontrar uma geometria critica onde o efeito "estalo" é iniciado, e o sistema tubular biestável expansivel se expande até o seu diâmetro final. Finalmente, o elemento empacotador inflável 25 é esvaziado e removido do tubular biestável expansivel 24 desdobrado.
Um elemento empacotador mecânico é mostrado nas Figuras 6A e 6B e é um dispositivo com um elemento plástico deformável que se expande radialmente quando comprimido na direção axial. A força para comprimir o elemento pode ser fornecida através de um mecanismo de compressão 27, tal como um mecanismo de parafuso, um excêntrico, ou pistão hidráulico. O elemento empacotador mecânico desdobra os tubulares e conectores biestáveis expansiveis do mesmo modo como o elemento empacotador inflável. O elemento plástico deformável 26 aplica uma força radial dirigida para fora para a circunferência interna dos tubulares e conectores biestáveis expansiveis, permitindo a eles por seu turno se expandirem desde uma posição contraída (ver Figura 6A) até um diâmetro final de desdobramento (ver Figura 6B).
Uma matriz expansível é mostrada na Figura 7A - 7D e compreende uma série de dedos 28 que são arranjados radialmente em torno de um mandril cônico 30. As Figuras 7A e 7C mostram as vistas laterais e de topo, respectivamente. Quando o mandril 30 é empurrado ou puxado através dos dedos 28, eles se expandem radialmente direcionados para fora, com ilustrado nas Figuras 7B e 7D. Uma matriz expansível é usada do mesmo modo como um elemento empacotador mecânico para desdobrar um tubular e conector expansíveis.
Um equipamento do tipo pistão é mostrado nas Figuras 8A - 8D e compreende uma série de pistões 32 direcionados radialmente no sentido para fora e usados como um mecanismo para expandir os tubulares e conectores biestáveis expansíveis. Quando energizados, os pistões 32 aplicam uma força direcionada radialmente para desdobrar a montagem tubular biestável expansível pela ação do elemento empacotador inflável. As Figuras 8A e 8C ilustram os pistões retraídos, enquanto que as Figuras 8B e 8D mostram os pistões expandidos. O equipamento tipo pistão pode ser atuado hidraulicamente, mecanicamente ou eletricamente.
Um atuador do tipo batoque é ilustrado nas Figuras 9A e 9B e compreende um batoque 34 que é empurrado ou puxado ao longo dos tubulares biestáveis expansíveis 24 ou conectores, como mostrado na Figura 9A. O batoque é dimensionado para expandir as células expansiveis para além do ponto de seus pontos críticos onde elas irão estalar até um diâmetro final expandido como mostrado na Figura 9B.
Um atuador de esfera é mostrado nas Figuras 10A e 10B e opera quando uma esfera superdimensionada 36 é bombeada ao longo da parte média dos tubulares biestáveis expansiveis 24 e conectores. Para impedir as perdas de fluido através das aberturas da célula, uma forração expansivel à base de elastômero 38 é movimentada dentro do sistema tubular biestável expansivel. A forração 38 atua como uma vedação e permite que a esfera 36 seja hidraulicamente bombeada ao longo do tubular biestável expansivel 24 e conectores. O efeito de bombeamento da esfera 36 ao longo dos tubulares biestáveis expansiveis 24 e conectores é o de expandir a geometria da célula para além do ponto biestável critico, permitindo que ocorra a plena expansão, como mostrado na Figura 10B. Uma vez os tubulares e conectores biestáveis expansiveis estejam expandidos, a luva de elastômero 38 e a esfera 36 são retirados.
Atuadores do tipo roletes radiais podem ser também usados para expandir as seções tubulares biestáveis. A Figura 12 ilustra uma ferramenta de rolete radial expansivel, acionada por motor. A ferramenta compreende um ou mais conjuntos de braços 58 que são expandidos até um diâmetro ajustado por meio de um mecanismo e pivô. No final de cada conjunto de braços está um rolete 60.
Centralizadores 62 podem ser anexados à ferramenta para posicioná-la corretamente dentro do furo do poço e do tubular biestável 24. Um motor 64 proporciona a força para girar toda a montagem, girando assim o(s) rolete (s) circunferencialmente dentro do furo do poço. O eixo do(s) rolete(s) é tal, de modo a permitir ao(s) rolete (s) girar livremente quando posto em contato com a superfície interna do tubular. Cada rolete pode ser configurado de forma cônica em seção, para aumentar a área de contato da superfície do rolete contra a parede interna do tubular. Os roletes são inicialmente retraídos e a ferramenta é movimentada dentro do tubular biestável colapsado. A ferramenta é então girada pelo motor 64, e os roletes 60 são movidos em direção para fora, para contatar a superfície interna do tubular biestável. Uma vez em contato com o tubular, os roletes são pivotados em direção para fora a uma distância maior para aplicar uma força radial dirigida para fora contra o tubular biestável. O movimento dos roletes, dirigido para fora, pode ser realizado por meio de uma força centrífuga ou um apropriado mecanismo atuador, acoplado entre o motor 64 e os roletes 60.4 A posição final do pivô é ajustada até um ponto onde o tubular biestável expansível possa ser expandido até o diâmetro final. A ferramenta é então movida longitudinalmente ao longo do tubular biestável colapsado, enquanto o motor continua a girar os braços do pivô e os roletes. Os roletes seguem uma trajetória helicoidal não profunda 66 dentro do tubular biestável, expandindo as células biestáveis em sua trajetória. Uma vez o tubular biestável esteja desdobrado, a rotação da ferramenta é interrompida e o rolete retraido. A ferramenta é retirada do tubular biestável por meio de um dispositivo transportador 68 que pode ser também usado para inserir a ferramenta. A Figura 13 ilustra um dispositivo de desdobramento de rolete radial, acionado hidraulicamente. A ferramenta compreende um ou mais roletes 60 que são postos em contato com a superfície interna do tubular biestável por meio de um pistão hidráulico 70. A força radial dirigida para fora, aplicada pelos roletes, pode ser aumentada até um ponto onde o tubular biestável se expanda até o seu diâmetro final. Centralizadores 62 podem ser anexados à ferramenta para posicioná-la corretamente dentro do furo do poço e do tubular biestável 14. Os roletes 60 são inicialmente retraidos e a ferramenta é movimentada dentro do tubular biestável 24 colapsado. Os roletes 60 são em seguida desdobrados e empurrados contra a parede interna do tubular biestável 24 para expandir a parte do tubular até o seu diâmetro final. A ferramenta completa é em seguida empurrada ou puxada longitudinalmente ao longo do tubular biestável 24, expandindo o comprimento total das células biestáveis 23. Uma vez o tubular biestável 24 esteja desdobrado em seu estado expandido, os roletes 60 são retraídos e a ferramenta é retirada do furo do poço, por meio do dispositivo transportador 68 usado para inseri-la. Pela alteração do eixo dos roletes 60, a ferramenta pode ser girada via um motor à medida que ela se transporta longitudinalmente ao longo do tubular biestável 24. Δ energia para operar o dispositivo de desdobramento pode ser retirada a partir de uma ou de uma combinação de fontes, tais como: energia elétrica fornecida seja a partir da superfície ou acumulada em um arranjo de baterias juntamente com o dispositivo de desdobramento, energia hidráulica provida pela superfície ou por bombas no fundo do poço, turbinas ou um acumulador de fluido, e energia mecânica fornecida através de um encadeamento apropriado atuado pelo movimento aplicado na superfície ou acumulado no fundo do poço, tal como um mecanismo de mola. O sistema tubular biestável expansivel é projetado de modo que o diâmetro interno do tubular desdobrado seja expandido para manter uma máxima área de seção transversal ao longo do tubular expansivel. Essa característica possibilita serem construídos poços de mono-furo, e facilita a eliminação de problemas associados com os tradicionais sistemas de estruturação de furos de poços onde o diâmetro externo da armação precisa ser descido muitas vezes, restringindo o acesso, ao longo dos furos de poços. O sistema tubular biestável expansivel pode ser aplicado em numerosas aplicações, tais como as forrações expansiveis em furos a descoberto (ver Figura 14) onde o tubular biestável expansivel 24 é usado para sustentar uma formação de furo a descoberto, mediante o exercicio de uma força radial externa contra a superfície do furo do poço. À medida que o tubular biestável 24 é radialmente expandido na direção das setas 71, o tubular se move na direção a entrar em contato com a superfície que forma o furo do poço 29. Essas forças radiais ajudam a estabilizar as formações e permitem a perfuração de poços com menos seqüências de armações convencionais. A forração do furo a descoberto pode; também compreender um material, por ex., um envoltório 72, que reduz a taxa de perda de fluidos provenientes do furo do poço para dentro das formações. O envoltório 72 pode ser feito de uma variedade de materiais, incluindo materiais metálicos e/ou elastoméricos expansiveis. Mediante a redução da perda de fluido para dentro das formações, o custo de fluido de perfuração podem ser reduzidos e o risco de perdas-por circulação e/ou colapso do furo do poço podem ser minimizados.
As forrações podem ser também usadas dentro dos tubulares do furo de poço para os propósitos, tais como o de proteção contra a corrosão. Um exemplo de um ambiente corrosivo é o ambiente que resulta quando o dióxido de carbono é usado para estimular a recuperação de petróleo proveniente de uma formação produtora. 0 dióxido de carbono (C02) facilmente reage com qualquer água (H20) que esteja presente, para formar ácido carbônico (H2C03) . Outros ácidos também podem ser gerados, especialmente se compostos de enxofre estão presentes. Os tubulares usados para injetar o dióxido de carbono, bem como aqueles usados nos poços de produção são submetidos a taxas de corrosão bastante elevadas. A presente invenção pode ser usada para posicionar forrações protetoras, um tubular biestável 24, dentro de um tubular já existente (por ex., o tubular 73 ilustrado com as linhas pontilhadas na Figura 14) para minimizar os efeitos corrosivos e para prolongar a vida útil dos tubulares do furo do poço.
Uma outra aplicação envolve o uso do tubular biestável 24 ilustrado na Figura 14 como uma forração perfurada expansível. As células biestáveis abertas no tubular biestável expansível permitem um fluxo irrestrito proveniente da formação proporcionando ao mesmo tempo uma estrutura para estabilizar o furo do poço.
Ainda uma outra aplicação do tubular biestável 24 é uma expansível peneira de areia, onde as células biestáveis são dimensionadas para atuarem como uma tela de controle de areia, ou um elemento-peneira expansivel 74 pode ser fixado ao tubular biestável expansivel como mostrado na Figura 14A em seu estado colapsado. O elemento-peneira expansivel 74 pode ser formado como um envoltório ao redor do tubular biestável 24. Foi descoberto que a imposição de forças de aros de pressão, por sobre a parede de um furo de poço, irá por si só ajudar a estabilizar a formação e reduzir ou eliminar o influxo da areia proveniente das zonas produtoras, mesmo se não for usado elemento-peneira adicional.
Uma outra aplicação do tubular biestável 24 é como uma forração expansivel reforçada, onde a estrutura da célula do tubular biestável expansivel é reforçada com um cimento ou resina 75, como ilustrado na Figura 14B. O cimento ou resina 75 proporciona aumentado suporte estrutural ou isolamento hidráulico da formação. O tubular biestável expansivel 24 também pode ser usado como um sistema de conexão expansivel, para unir comprimentos tradicionais 76A ou 76B da armação, de diferentes diâmetros como ilustrado na Figura 14C. 0 tubular 24 também pode ser usado como uma união de reparo estrutural para proporcionar melhorada resistência das seções já existentes da armação.
Uma outra aplicação inclui o uso do tubular biestável expansivel 24 como uma âncora dentro do furo de poço a partir do qual outras ferramentas ou armações podem ser anexadas, ou como uma ferramenta de "pescaria" na qual as características biestáveis são utilizadas para resgatar itens perdidos ou encravados em um furo de poço. O tubular biestável expansível 24 em sua configuração colapsada é inserido dentro de um item perdido 77, e em seguida expandido como indicado pelas setas 78 na Figura 14D. Na configuração expandida, o tubular biestável exerce forças radiais que ajudam no resgate do item perdido. O tubular biestável também pode ser movimentado dentro do poço em sua configuração expandida, posicionado por sobre e colapsado na; direção das setas 79 ao redor do item perdido 77, em uma tentativa de se fixar e resgatá-lo como ilustrado na Figura 14E. Uma vez o item perdido 77 seja agarrado pelo tubular biestável 24, ele pode ser resgatado através do furo de poço 29.
Os tubulares biestáveis acima descritos podem ser feitos de uma variedade de modos tais como: cortando moldes apropriadamente configurados, ao longo da parede de uma tubulação tubular, criando desse modo um dispositivo biestável expansível em seu estado colapsado; cortando moldes na forma de uma tubulação tubular, criando desse modo um dispositivo biestável expansível em seu estado expandido, e em seguida comprimindo o dispositivo na forma de seu estado colapsado; cortando moldes apropriados ao longo de uma folha do material, enrolando o material na forma de uma configuração tubular e unindo as pontas para formar um dispositivo biestável expansivel em seu estado colapsado; ou cortando moldes na forma de uma folha do material, enrolando o material na forma de uma configuração tubular, unindo as pontas adjacentes para formar um dispositivo biestável expansivel em seu estado expandido e em seguida comprimindo o dispositivo até seu estado colapsado.
Os materiais de construção para os tubulares biestáveis expansiveis podem incluir aqueles tipicamente usados na indústria de petróleo e de gás, tais como o aço inoxidável. Eles podem também ser feitos de ligas especiais (tais como monel, inconel, hastelloy ou ligas à base de tungstênio) se a aplicação requerer.
As configurações mostradas para o tubular biestável 24 são ilustrativas da operação de uma célula biestável básica. Outras configurações podem ser adequadas, mas o conceito apresentado é também válido para essas outras geometrias. A Figura 15 ilustra uma tubulação expansivel 80 formada por células biestáveis 82. A tubulação 80 define uma parte delgada 84 (melhor observada na Figura 15) que pode estar na forma de uma abertura, como mostrado, de um achatamento, ou de um outro adelgaçamento de uma parte da tubulação 80. A parte delgada 84 se prolonga geralmente longitudinalmente e pode ser linear, helicoidal, ou seguir outros modelos de trajetos. Em uma modalidade, a parte delgada se prolonga desde uma ponta da tubulação até a outra, para proporcionar um trajeto da linha de comunicação 84 para a tubulação 80. Em uma tal modalidade, uma linha de comunicação 86 pode passar através do trajeto da linha de comunicação 84 ao longo da tubulação 80. Desse modo, a linha de comunicação 86 permanece dentro do diâmetro externo geral da tubulação 80 ou se prolonga apenas ligeiramente para fora desse diâmetro. Embora a tubulação seja mostrada com uma parte delgada 84, ela pode incluir uma pluralidade, que são ; espaçadas em torno da circunferência da tubulação 80. A parte delgada 84 pode se usada para alojar um conduto (não mostrado) através do qual as linhas de comunicação 86 passam ou é usado para o transporte de fluidos ou outros materiais, tais como misturas de fluidos e sólidos.
Como aqui usado, o termo "linha de comunicação" se refere a qualquer tipo de linha de comunicação, tal como elétrica, hidráulica, fibra ótica, ou combinações desses, e similares. A Figura 15A ilustra uma parte delgada 84 de exemplo, projetada para receber um dispositivo 88. Como no posicionamento do cabo, o dispositivo 88 é pelo menos parcialmente alojado na parte delgada da tubulação 80, de modo que a extensão até a qual ela se prolonga além do diâmetro externo da tubulação 80 é diminuída. Exemplos de certas modalidades alternativas de dispositivos 88 são dispositivos elétricos, dispositivos de avaliação, medidores, calibradores, e sensores. Exemplos mais específicos compreendem válvulas, dispositivos de coleta de amostra, um dispositivo usado em acabamento inteligente ou esperto de poço, sensores de temperatura, sensores de pressão, dispositivos de controle de fluxo, dispositivos de avaliação da taxa de fluxo, equipamentos de avaliação da relação petróleo/água/gás, detectores de escamas, equipamentos sensores (por exemplo, sensores de vibração), sensores de detecção de areia, sensores de detecção de água,: registradores de dados, sensores de viscosidade, sensores de densidade, sensores de ponto de bolha, sensores de composição, sensores e dispositivos de ordenação de resistividades, sensores e dispositivos acústicos, outros dispositivos de telemetria, sensores de infravermelho próximo, detectores de raios gama, detectores de H2S, detectores de CO2, unidades de memória de fundo de poço, controladores de fundo de poço. Exemplos de medições que os dispositivos poderíam realizar são taxa de pressão, pressão, temperatura, pressão diferencial, densidade, quantidades relativas de líquido, gás, e sólidos, estancamento de água, relação petróleo-água, e outras medições.
Como mostrado na figura, o dispositivo 88 pode ser exposto a um fluido na parte interna e externamente à tubulação 80 através das aberturas formadas pelas células 82. Assim, a parte delgada 84 pode fazer ponte entre as aberturas bem como as ligações 21, 22 das células 82. Note também que a linha de comunicação 86 e o trajeto associado à linha de comunicação 84 podem se prolongar uma parte do comprimento da tubulação 80 em certos projetos alternativos. Por exemplo, se um dispositivo 88 é posicionado de modo intermediário às pontas da tubulação 80, o caminho de passagem da linha 84 pode apenas necessitar se prolongar de : uma ponta da tubulação até a posição do dispositivo 80. A Figura 16 ilustra uma tubulação expansivel 80 formada de células biestáveis 82 possuindo contrafortes finos 21 e contrafortes grossos 22. Pelo menos um dos contrafortes grossos (identificados como 90) é relativamente mais largo que os outros contrafortes da tubulação 80. O contraforte mais largo 90 pode ser usado para vários propósitos tais como o roteamento das linhas de comunicação, incluindo cabos, ou dispositivos, tais como a ordenação de sensores.
As Figuras 17A e 17B ilustram uma tubulação 80 possuindo um contraforte 90 que é relativamente mais largo que os demais contrafortes grossos 22. Um caminho de passagem 92, formado no contraforte 90, facilita o posicionamento de uma linha de comunicação no poço e ao longo da tubulação 80, e pode ser usado para outros propósitos. A Figura 17B é uma vista em seção transversal que mostra o caminho de passagem 92. O caminho de passagem 92 é uma modalidade alternativa de um trajeto da linha de comunicação 84. Um caminho de passagem 94 pode ser configurado para geralmente seguir a curvatura do contraforte, por ex., um dos contrafortes grossos 22, como adicionalmente ilustrados nas Figuras 17A e 17B. A Figura 18 ilustra uma parte delgada 84 possuindo um projeto de encaixe do tipo sambladura com uma abertura relativamente mais estreita. A linha de comunicação 86 é formada tal que ela se ajusta ao longo das aberturas relativamente estreitas, dentro da parte inferior, mais larga, por ex., mediante a inserção de uma borda lateral e em seguida a outra. A linha de comunicação 86 é mantida no lugar devido ao projeto de encaixe do tipo sambladura, como é evidente a partir das figuras. A largura da linha de comunicação 86 é maior que a largura da abertura. Note que a linha de comunicação 86 pode compreender um maço de linhas que podem ser de formas idênticas ou diferentes (por ex. , uma linha elétrica, hidráulica e uma linha de fibra ótica amarradas juntamente). Também, os conectores para conectar tubulações adjacentes podem incorporar uma conexão para as linhas de comunicação.
Note que o caminho de passagem da linha de comunicação 84 pode ser usado em conjunto com outros tipos de tubulações expansíveis, tais como aquelas do tipo da forração dotada de aberturas revelada na Patente U.S. No. 5.366.012, editada em 22 de novembro de 1994 para Lohbeck, dos tipos de tubulação dobrada, da Patente U.S. No. 3.489.220, editada em 13 de janeiro de 1970, para Kinley, a Patente U.S. No. 5.337.823, editada em 16 de agosto de 1994, para Nobileau, a Patente U.S. No. 3.203.451, editada em 31 de agosto de 1965 para Vincent.
As modalidades particulares aqui reveladas são apenas ilustrativas, na medida em que a invenção pode ser modificada e praticada de modos diferentes, mas equivalentes, evidentes para aqueles com habilidade na técnica, tendo os proveitos das orientações aqui expostas. Além disso, não são pretendidas limitações aos detalhes de construção ou de projeto aqui mostrados, exceto aos descritos nas reivindicações abaixo. É desse modo evidente, que as modalidades particulares reveladas acima podem ser alteradas ou modificadas, e todas s tais variações são consideradas inseridas no escopo e espirito da invenção. Conseqüentemente, a proteção aqui objetivada é como a apresentada nas reivindicações abaixo.