Até a década de 1900, a maioria dos poços petrolíferos era criada utilizando brocas de percussão — tecnologia já utilizada pelos chineses em 1100 a.C e ainda um método muito popular de perfuração para obtenção de água. Uma broca de percussão é uma haste com um pedaço pesado de metal na ponta. Ela é levantada e solta repetidas vezes dentro de um orifício, aumentando gradualmente sua profundidade. Vários homens trabalhando juntos muitas vezes levaram anos para fazer um único poço dessa forma. Hoje em dia o trabalho é normalmente feito com máquinas.
Ao longo dos séculos 19 e 20, melhorias na tecnologia do aço trouxeram brocas de perfuração rotativas que poderiam perfurar rapidamente rochas moles até o fim. Até mesmo em rochas moles, o aço pode se desgastar muito rápido, por isso geralmente é coberto com inserções, ou uma completa camada externa, de carbureto de tungstênio, que é mais frágil que o aço, mas tem maior resistência à erosão. Se isso não for suficiente, são adicionados diamantes sintéticos, mas as rochas mais duras só podem ser perfuradas com a ajuda de diamantes de verdade.
Esquerda: Uma broca de perfuração e o sistema de direção sendo preparados para perfurar.
Direita: São perfurados poços que passam pelas camadas rochosas em direção às reservas de petróleo e gás.
Essa broca perfura rochas duras utilizando diamantes naturais colocados em fileiras em lâminas de carbureto de tungstênio
O diamante, o material mais resistente já encontrado, é 10 vezes mais duro que o aço, 2 vezes mais duro e 10 vezes mais resistente ao desgaste do que o carbureto de tungstênio, e tem uma força de compressão 20 vezes maior do que o granito.
A primeira vez que geólogos usaram diamantes naturais para perfuração foi por volta de 1910 em brocas de sondagem para escavação que perfuravam orifícios em forma de rosca e extraíam colunas de rocha para análise. Diamantes foram inseridos pela primeira vez em brocas de orifício inteiro para poços petrolíferos no início da década de 1920 e são amplamente usados hoje. Brocas de diamante natural usam pedras naturais de qualidade industrial, não preciosas, que são trituradas e procesadas para produzir tamanhos específicos e formas arredondadas regulares.
Esta broca tem lâminas de carbureto de tungstênio impregnadas com minúsculos grânulos de diamantes, que permitem a perfuração de rochas muito duras. Como o carbureto de tungstênio se desgasta na superfície de corte, grânulos de diamante desgastados caem e os grânulos novos ficam expostos.
Esse homem está segurando uma inserção de PDC com pinças.
Os discos pretos na extremidade cortante das lâminas dessa broca de perfuração são inserções de PDC.
Os diamantes naturais se formam na profundidade da Terra sob calor intenso e pressão extrema por milhares de anos. No início da década de 1970, a empresa norte-americana General Electric desenvolveu um processo para fazer diamantes sintéticos. Finas camadas circulares alternadas de grafite de carbono e cobalto são empilhadas em pequenas latas e pressionadas a 2 milhões de psi [13.733 MPa] e depois aquecidas a 2732°F [1500°C] por cinco minutos. Esse processo cria pequenos cristais de diamante sintético que se ligam e formam o compacto de diamante policristalino (PDC). Ao contrário dos diamantes naturais, os cristais individuais são muito pequenos para perfurar rochas duras. Em vez disso, as inserções de PDC são incorporadas nas bordas de brocas para perfurar a rocha — como se fosse uma lixa extemamente dura.
Muitas brocas de perfuração incluem uma combinação de aço, carbureto de tungstênio, PDC e diamante em suas extremidades cortantes e perfurantes. Há uma grande variedade de combinações, projetadas para perfurar com mais eficiência diferentes tipos de rocha.
Esquerda: Essa broca de perfuração "híbrida" contém tanto inserções de PDC cortantes como pinos impreganados de diamante. Essa visualização também mostra os bicos entre as lâminas na extremidade da broca. Uma lama especial é bombeada através desses bicos para resfriar a broca e retirar os pedaços de rocha das extremidades cortantes, desde o orifício até a superfície, onde são analisadas por geólogos.
Abaixo, à esquerda: As brocas de cone cilíndrico possuem cones metálicos que giram independentemente. Cada cone tem dentes feitos de aço endurecido, carbureto de tungstênio, PDC, diamantes ou uma combinação deles.
Abaixo, à direita: A vista lateral de uma broca de cone cilíndrico mostra PDC e diamantes inseridos em todas as partes expostas da broca, além de dentes cortantes. Eles serverm para reduzir o desgaste quando se perfuram rochas muito abrasivas.
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