Perfuração rotativa de poços: visão geral da tecnologia de perfuração e equipamentos necessários

Se uma casa de campo não puder ser conectada ao abastecimento de água central, é necessário organizar um sistema autônomo. A maioria dos proprietários prefere instalá-lo com base em um poço, em cujo desenvolvimento são utilizados vários métodos. Consideraremos a perfuração rotativa de poços – uma opção muito promissora, mas ainda pouco conhecida.

No artigo que propomos, são descritos em detalhes os meandros da tecnologia rotativa e as ferramentas utilizadas. As vantagens e desvantagens deste método são analisadas, e as formas de sua implementação prática são apresentadas. Nossos conselhos serão úteis para proprietários zelosos de terrenos particulares que desejam supervisionar o trabalho dos perfuradores.

Definição de perfuração rotativa

Para começar, vamos analisar o que realmente é a perfuração rotativa de poços e quais são suas alternativas? Um dos métodos mais comuns de construção de uma captação de água ainda é reconhecido como a perfuração por trado.

No entanto, a tecnologia de trado não permite atravessar rochas duras. A broca helicoidal usada na perfuração por trado não é capaz de destruir o calcário. E muitas vezes é necessário perfurar exatamente nele, pois as camadas superiores não apresentam uma vazão estável e suficiente para a exploração.

A tecnologia de perfuração por testemunhagem e por trado não oferece a possibilidade de atravessar rochas duras. No caso de construção de um poço em calcário, é mais eficiente e econômico usar o método de perfuração rotativa.

Por isso, a tecnologia rotativa, usada anteriormente apenas na indústria de mineração, começou a ser introduzida no campo da construção de captações de água particulares. Seu elemento de trabalho é a broca localizada na parte de fundo do poço. Com a ajuda da broca, solos coesos e não coesos são destruídos, rochas duras são trituradas.

A remoção da rocha destruída é feita com a ajuda de fluido, que é bombeado para o fundo através da coluna de trabalho ou do espaço anular. São 2 métodos diferentes de perfuração, cada um dos quais será detalhado a seguir.

O diâmetro da broca excede o diâmetro da coluna de trabalho, o que permite:

• reduzir o consumo de energia em todo o processo de perfuração (a potência aqui é gasta diretamente apenas para girar a broca com força no fundo do poço, e as perdas por atrito da coluna de trabalho contra as paredes do poço são minimizadas);
• proteger a maior parte dos elementos da coluna de trabalho contra danos, bem como as paredes do poço perfurado contra destruição;
• criar poços de diâmetro impressionante (por exemplo, até 70 cm) em profundidades extremamente impressionantes.

Dessa forma, é possível formar poços aquíferos, com profundidade de 300 metros ou mais, ou seja, perfurar captações de água para abastecer conjuntos de casas de campo e vilarejos.

Portanto, a definição: a perfuração pelo princípio rotativo é um método de escavação de poço no qual a força sobre a broca no fundo é transmitida do rotador rotativo através da coluna de trabalho. Esta é montada a partir de hastes – tubos estreitos de aço, que são conectados sequencialmente uns aos outros à medida que a penetração no solo avança.

Já na limpeza do fuste da escavação e do fundo do poço dos detritos, utiliza-se água fornecida sob pressão. Graças a essa solução, não é necessário desmontar e montar constantemente a coluna de perfuração para extrair testemunhos como na perfuração por testemunhagem.

O fluido injetado na escavação resolve imediatamente duas tarefas importantes: libera o caminho para a ferramenta de perfuração realizar trabalhos posteriores e realiza a lavagem do poço, necessária para preparar a captação de água para operação.

Vantagens da tecnologia rotativa

Quais são as vantagens da perfuração rotativa em relação às possíveis alternativas? Existem várias.

Em primeiro lugar, utilizando a broca rotativa, é possível criar poços de grande diâmetro que poderão satisfazer plenamente as necessidades de água de várias residências ao mesmo tempo.

Não é segredo que a perfuração é um processo caro: requer equipamentos especializados, e o processo deve ser controlado e gerenciado por perfuradores experientes. Afinal, a atividade relacionada à perfuração de poços é licenciada. Daí o seu alto preço.

Graças à sua forma e construção, a broca na perfuração rotativa pode formar poços de diâmetro muito maior do que as brocas helicoidais e o tubo de testemunhagem.

A união de várias residências para financiar um poço comum para lotes adjacentes – é um empreendimento economicamente vantajoso. Mas para isso é necessário um débito significativo. Na maioria dos casos, os aquíferos de depósitos quaternários (areias) não conseguem fornecê-lo.

Naturalmente, para exploração coletiva, é melhor instalar a captação de água em calcário. As águas subterrâneas extraídas dele caracterizam-se por maior abundância e pureza. A vazão dos poços em calcário não sofre a menor influência do volume de precipitação. O que não se pode dizer dos poços em areia.

Em segundo lugar, convencem os custos energéticos relativamente baixos. O elemento de trabalho na perfuração rotativa é a broca. Mas, diferentemente da perfuração helicoidal e da perfuração com testemunhagem, a ferramenta de perfuração não interage com as paredes do poço perfurado

Ou seja, apenas a broca entra em contato direto com o solo, cuja altura é insignificante em relação à altura de toda a coluna de perfuração. Consequentemente, este método de construção de poços é o mais rápido – até 1000 metros lineares por mês!

Em terceiro lugar, os clientes coletivos são atraídos pela profundidade da perfuração. Apenas pelo método rotativo é possível perfurar um poço aprofundado em rochas metamórficas e ígneas cristalinas, de cujas fissuras se pode extrair água cuja composição é a mais adequada para fins potáveis.

Na maioria das vezes, de captações de água com profundidade inferior a 30 m, extrai-se apenas água para fins técnicos. A sua composição é influenciada por corpos d'água próximos, rios poluídos por lixo, precipitação atmosférica e até mesmo líquidos técnicos derramados no solo. A perfuração helicoidal e a tubulação de testemunhagem só podem fornecer esse tipo de captação.

Todo o conjunto do equipamento de perfuração pode ser facilmente montado numa única plataforma automóvel de capacidade média. Isso torna o processo de perfuração rotativa muito mais tecnológico e, portanto, mais barato

Além disso, a perfuração rotativa permite concluir a perfuração em profundidade total sem mudar para outro método de perfuração. No desenvolvimento de um poço com parafuso helicoidal, por exemplo, em caso de necessidade de perfurar uma rocha, recorre-se ao método de percussão com cabo.

Para isso, retira-se a ferramenta helicoidal do furo e lança-se a broca no fundo do poço até que a rocha seja quebrada. Em seguida, o fundo do poço é limpo com uma concha de balde. Esta também é usada se for necessário trazer à superfície areia saturada de água, que simplesmente não se mantém no tubo de testemunhagem.

A prática mostra que os poços perfurados pelo método rotativo têm uma vida útil mais longa. Tecnologicamente, isso explica-se pelo facto de, após a instalação da coluna de revestimento que forma as paredes do poço, o espaço anular ser adicionalmente reforçado.

Equipamento para construção do poço

Inicialmente, instala-se na superfície, acima do poço, um suporte vertical para posterior fixação dos segmentos verticais da coluna de trabalho. O primeiro segmento deste veio de perfuração é equipado com o elemento de trabalho – a broca, que pode ter diferentes formatos, dependendo da categoria da rocha quanto à perfurabilidade.

Naturalmente, para a perfuração de poços aquíferos, utiliza-se equipamento mais compacto e, geralmente, não é necessária a construção da torre mencionada

Conjunto de ferramentas de perfuração

Ao aprofundar o primeiro segmento, a sapata, o próximo, chamado de haste, é encaixado sobre ele, e assim por diante. O comprimento de cada bloco de tubos pode variar de 20 a 50 m. Para simplificar a formação da coluna de trabalho, cada haste é equipada com rosca cônica e trava.

No final, forma-se um conjunto de perfuração, que consiste em:

• broca de trabalho;
• haste principal;
• coluna de hastes comuns, conectadas entre si por luvas.

A retenção da coluna de trabalho é feita por meio de um swivel, cuja rotação é produzida pelo rotor. Dependendo da profundidade prevista para a perfuração, bem como das propriedades físico-mecânicas do solo, para a formação do segmento principal, são utilizadas hastes padrão ou pesadas.

A haste principal, geralmente, é um tubo pesado, porque a ela é atribuída uma importante missão tecnológica. Através dela, o fluido de lavagem chega ao fundo do poço até a broca, tendo como função lavar a rocha desintegrada. Isso, por sua vez, impõe requisitos às conexões com luvas, cuja função é selar as juntas entre os segmentos.

Não se deve esquecer que a pressão do fluido depende diretamente da altura da coluna formada (e não depende da seção transversal do tubo). Além disso, mesmo que seja usada água como fluido de lavagem, a cada 10 metros a pressão aumentará em 1 atmosfera.

Para comparação, vale dar um exemplo. A pressão de trabalho em uma rede de tubulação doméstica em uma casa é de 10 atmosferas, e os tubos mais resistentes suportam pressão de 20 atmosferas.

Mas enquanto os sistemas domésticos são estacionários e não se movem, a haste principal sofre uma pressão igual ao peso da coluna de perfuração. E ela ainda deve transmitir o impulso rotacional e a força para a broca.

As luvas são os elementos mais críticos da haste, porque são elas que suportam o peso de toda a parte inferior da haste adjacente, bem como a carga das vibrações dinâmicas e do movimento rotacional transmitido pelo motor.

Às luvas, como elementos estruturais da coluna de perfuração, são impostos os seguintes requisitos, elas:

• devem garantir a estanqueidade da conexão das hastes e suportar pressão de fluido de até 100 atmosferas (para limpeza do fundo do poço com jato de pressão);
• devem ser resistentes ao desgaste, para não se deteriorarem com o atrito contra as paredes do poço;
• devem ter a capacidade de transmitir o torque da parte superior da coluna de trabalho para a parte inferior e, finalmente, para a broca.

É extremamente importante que as luvas tenham a qualidade adequada de fabricação. Se pelo menos uma delas não suportar a carga e a coluna de trabalho se romper, será extremamente difícil recuperar a parte inferior junto com a broca. Em termos de custos de capital, às vezes é mais fácil perfurar um novo poço próximo do que recuperar a haste principal solta.

Uso de água durante a perfuração

O fluido que é enviado para o fundo do poço é geralmente água comum. Às vezes, para estabilizar a coluna que atravessa formações soltas e não consolidadas (areias, cascalho, depósitos de seixos), é injetado no poço uma solução com aditivos de perfuração. Isso é necessário porque o revestimento não é instalado nas primeiras etapas da perfuração.

A água entra na perfuração seja sob pressão dentro da haste de perfuração (e então o bombeamento ocorre através do espaço anular), seja por gravidade para baixo através do espaço anular, e a remoção ocorre através da coluna de trabalho por uma bomba de extração.

Estas são duas tecnologias diferentes de perfuração rotativa, cujas características serão discutidas abaixo.

A perfuração rotativa se destaca pela maior velocidade de desenvolvimento de poços de captação de água. Simultaneamente à perfuração, é realizada a lavagem da coluna e a preparação da perfuração para a operação futura.

No entanto, independentemente do método utilizado, o fluido empregado na perfuração sempre precisa ser limpo (para uso posterior).

Para isso, utiliza-se o seguinte conjunto de equipamentos:

• Tanque de armazenamento de fluido de perfuração. (Se for planejado perfurar um poço raso – dentro de algumas dezenas de metros, pode ser construído diretamente no solo, e como fluido de lavagem utiliza-se água comum). O tanque atua como um reservatório para o fluido de lavagem.
• Peneira vibratória. O fluido de lavagem extraído do poço contém partículas de rocha triturada que precisam ser removidas. A forma mais eficaz é mecânica, com o uso da peneira vibratória.
• Decantador. Após a remoção das partículas grossas de rocha, o fluido entra no decantador para eliminar as partículas suspensas que se depositam. Ao usar água como fluido de lavagem, o decantador também é às vezes construído diretamente no solo. Além disso, para separar substâncias líquidas e remover o sedimento, utiliza-se um hidrociclone.
• Bomba de perfuração. É ela que garante a circulação do fluido de lavagem.
• Sistema de calhas. Elas são necessárias para o movimento da água do ponto de formação da perfuração até o local de sua limpeza.

No total, para o desenvolvimento de um poço pela tecnologia rotativa, são necessários os seguintes mecanismos e equipamentos:

1. Torre ou consola para montagem da coluna de perfuração a partir de hastes e desmontagem após a conclusão da perfuração, além do sistema de talha.
2. Motor, que garante a rotação do rotor.
3. Equipamento para fluido. Mecanismos e dispositivos para garantir a circulação do fluido de lavagem e sua limpeza (bomba; peneira vibratória; decantadores e/ou hidrociclone; tanque de armazenamento de fluido de lavagem; sistema de tubos e calhas).

Para a perfuração rotativa de poços rasos, todo o conjunto de equipamentos listado é bastante compacto (por exemplo, a lança do console é dobrável). Isso garante facilidade de colocação do equipamento de perfuração em qualquer local conveniente para a realização de operações de perfuração e posterior operação.

Duas variantes de perfuração rotativa

Dependendo do método de fornecimento de fluido de lavagem ao fundo do poço, existem 2 tipos de tecnologia de perfuração rotativa:

1. com fornecimento direto;
2. com fornecimento reverso.

Deve-se notar que o fluido fornecido ao fundo do poço não se destina apenas à lavagem e remoção da rocha triturada. Também resfria a broca, que aquece muito devido ao atrito. No caso de fornecimento direto de fluido, a bomba cria uma pressão excessiva.

A água entra no fundo do poço através dos orifícios tecnológicos existentes na broca, 'captura' a rocha triturada e, em seguida, por gravidade, através do poço (ou seja, através do espaço anular em relação à haste guia) chega à superfície, onde entra no complexo de limpeza (peneira vibratória, hidrociclone).

A lavagem pode ser direta ou reversa, o que afetará as características qualitativas do equipamento utilizado, mas o esquema básico é válido para ambos os tipos de tecnologia.

A tecnologia de fornecimento reverso implica que o fluido de lavagem chega ao fundo do poço por gravidade, descendo pelo poço, e, em contrapartida, a solução com material triturado retorna à superfície através do tubo da haste guia. A bomba de perfuração, neste caso, cria uma pressão negativa justamente nela.

Apesar da aparente simplicidade de ambas as tecnologias, há muito mais nuances do que pode parecer à primeira vista. Portanto, parece adequado abordar cada uma das tecnologias de perfuração mencionadas com mais detalhes.

Perfuração com circulação direta de fluido de lavagem

Essa tecnologia às vezes também é chamada de 'fluxo direto'. É adequada para uso em solos arenosos, de cascalho e brita. Também é utilizada se a profundidade do aquífero não exceder 30 m. É aqui que aditivos são adicionados ao fluido para aumentar sua densidade e estabilidade da parede do poço.

A perfuração rotativa é caracterizada pela redução gradual do diâmetro do poço. Em outras palavras, primeiro é perfurado um poço de diâmetro maior, depois ele é revestido com um tubo, e o espaço anular entre a superfície externa do tubo e a parede do poço é preenchido com argamassa de cimento através de orifícios tecnológicos.

Em seguida, a perfuração continua com uma broca de menor diâmetro. Depois, novamente o revestimento, e a nova seção tem um diâmetro ainda menor, e assim por diante. Quanto menos frequente for a necessidade de 'interromper' para a cimentação do poço, maior será a produtividade da perfuração, o que acaba refletindo no custo total do processo e do poço como um todo.

Além disso, o revestimento muito frequente acaba resultando em uma redução significativa do diâmetro efetivo do poço (o diâmetro que realmente expõe o aquífero). Assim, o 'fluxo direto' caracteriza-se pelo fato de que, com esse método de construção, o poço pode não ser revestido até 100 metros.

A pressão principal do fluido de lavagem é gerada pela bomba dentro da haste de perfuração, e o espaço anular é preenchido por gravidade com o fluido contendo fragmentos de rocha triturada, sem danificar as paredes do poço com pressão excessiva.

Esquema de perfuração com injeção direta de fluido de lavagem. O fluido é injetado no fundo do poço pela haste de perfuração e retorna à superfície por gravidade.

No entanto, este método de perfuração também tem desvantagens. Em particular, um trecho não revestido muito longo faz com que partículas finas de argila penetrem nos aquíferos, o que pode reduzir e retardar significativamente o fluxo de água para a perfuração a partir da formação aquífera.

Essas partículas atuam como tampões nos poros e microcanais da rocha, através dos quais a água se infiltra. Portanto, o procedimento de revestimento realizado durante a perfuração é necessário para preservar a produtividade futura do poço como um todo.

Perfuração com circulação reversa de fluido de lavagem

Com este método de controle do fluxo de fluido, o poço e o fundo são limpos de forma mais eficiente. A bomba não força o fluido para o fundo, pelo contrário, o succiona de volta, o que faz com que a velocidade de avanço da broca aumente em uma ordem de grandeza e até várias vezes em comparação com a circulação direta.

O próprio poço não é contaminado por inclusões de argila transportadas pelo fluido de lavagem, pois a bomba suga tudo o que possa conter. Aliás, aqui não há nenhum sentido prático em aditivos adicionais, portanto, como fluido de lavagem utiliza-se água pura.

Esquema de circulação reversa na perfuração rotativa. O fluido é alimentado por gravidade através do espaço anular, e o cascalho é sugado pela bomba através da haste de perfuração.

Portanto, resumamos as vantagens da perfuração com circulação reversa:

• a velocidade de perfuração aumenta (em comparação com a circulação direta) em até 15 vezes;
• O aquífero não é entupido por partículas de argila e grãos de areia siltosa dos níveis inferiores, ainda não revestidos do poço;
• graças à abertura de qualidade do aquífero, o poço não precisa ser preparado adicionalmente para operação, pode-se imediatamente instalar a coluna de revestimento interna com filtro e iniciar o bombeamento;
• Como fluido de trabalho, utiliza-se água simples (e portanto barata).

No entanto, este método também apresenta uma desvantagem significativa. Ele requer o uso de equipamentos caros, o que acaba levando a um aumento considerável no custo de todo o processo de perfuração.

Portanto, a perfuração por 'fluxo reverso de água' é realizada apenas nos casos em que o poço é projetado para ser operado por várias famílias simultaneamente. Mas se o poço for para uso individual, é muito mais sensato usar a tecnologia de perfuração rotativa com fluxo direto de água.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Demonstração visual do processo de perfuração rotativa passo a passo:

Vídeo #2. Análise da tecnologia rotativa e princípios de construção do poço:

Vídeo #3. Circulação de água durante a perfuração rotativa:

A situação quanto à presença e profundidade dos aquíferos pode variar muito de lugar para lugar (e em alguns lugares eles nem existem, como na Ilha da Madeira).

Ao projetar o poço e escolher o método ideal de perfuração rotativa, deve-se usar os mapas existentes dos aquíferos explorados. Isso ajudará você a economizar tempo e recursos significativos.

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